摘要
陶瓷刀具拥有高硬度、良好的耐磨性和化学稳定性，在淬硬钢等难加工材料的高速切削加工领域具有特定的优势，然而陶瓷刀具固有的脆性限制了它的实际推广和应用。石墨烯具有超大的比表面积、极高的纵横比、优越的力学性能以及极好的导热和导电性能，为陶瓷刀具的强韧化提供了新的思路。本论文将石墨烯引入Al2O3基复合陶瓷刀具材料，通过基于石墨烯表面功能化修饰的界面物理调控和基于强、弱界面交错分布的界面应力调控制备了具有强、弱界面交错分布特征的石墨烯/Al2O3基复合陶瓷刀具。通过强、弱交错分布的界面在复合陶瓷刀具材料中引入了多种强韧化机理，大幅提高了复合陶瓷刀具的力学性能。最后，将所研制的石墨烯/Al2O3基复合陶瓷刀具应用于淬硬钢的高速切削加工。 分别基于静电斥力分散机理、空间位阻分散机理、协同分散机理引入了不同的石墨烯分散表面活性剂，采用这些活性剂对石墨烯进行了非共价表面修饰，确定了最佳的表面活性剂为基于空间位阻分散机理的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，并采用紫外/可见分光光度法确定了占石墨烯质量分数80％的PVP为最佳表面活性剂含量，确定了以PVP作为表面活性剂的分散液取得最佳分散效果的PH值为6。研究了石墨烯含量对复合陶瓷刀具材料微观结构和力学性能的影响，结果表明，当石墨烯含量为0.5vol％时，复合陶瓷刀具材料的微观结构得到了优化，力学性能也得到了极大地改善，而当石墨烯含量超过1vol％时，石墨烯在复合陶瓷刀具材料中发生团聚导致力学性能下降。因此，确定0.5vol％的石墨烯为在石墨烯/Al2O3基复合陶瓷刀具材料中实现界面物理调控的临界体积分数。 研究了石墨烯几何尺寸对石墨烯/Al2O3基复合陶瓷刀具材料界面特点、微观结构以及力学性能的影响。结果表明，石墨烯与陶瓷基体间通过界面化学反应形成的界面相能改变石墨烯与基体间的界面应力状态，而界面相的类型以及尺寸与石墨烯尺寸密切相关。随着石墨烯厚度的增加，石墨烯与Al2O3之间形成的界面相从Al4O4C逐渐变为Al4C3，并且界面相的厚度也增加。界面相Al4O4C和Al4C3的形成促进了石墨烯/Al2O3基复合陶瓷刀具材料中强、弱交错分布界面的形成。确定了薄厚度、大横向尺寸的石墨烯更有利于在石墨烯/Al2O3基复合陶瓷刀具材料中实现基于强、弱界面交错分布的界面应力调控。研究了烧结参数对石墨烯/Al2O3基复合陶瓷刀具材料微观结构、石墨烯结构稳定性和力学性能的影响。结果表明，石墨烯结构稳定性与保温时间关系最为密切，过长或过短的保温时间都会对石墨烯的结构稳定性产生不利影响。1600℃烧结温度、15min保温时间以及30MPa加载压力是获得最优力学性能的优选烧结参数，而颗粒细化、适量弱粘结界面的形成以及良好的石墨烯结构稳定性是其获得最优力学的主要原因。 基于界面物理调控和界面应力调控的研究结果，采用两步烧结工艺制备了石墨烯/Al2O3基复合陶瓷刀具，通过微观结构分析和第一性原理计算验证了在复合陶瓷刀具中形成了强、弱交错分布的界面。强、弱交错分布的界面可以在复合陶瓷刀具材料中诱导载荷转移、颗粒细化等强化机理以及裂纹偏转、裂纹分支、裂纹桥接和石墨烯拔出等增韧机理，明显改善了复合陶瓷刀具的力学性能。研究了石墨烯/Al2O3基复合陶瓷刀具的颗粒生长动力学和颗粒细化机理。结果表明，Al2O3的颗粒生长机理为颗粒边界扩散，而WC的颗粒生长机理为液相扩散，石墨烯对Al2O3和WC润湿能力的不同是导致它们颗粒生长机理不同的主要原因。Al2O3颗粒的细化机理为石墨烯的钉扎效应和内晶型结构，而WC颗粒的细化机理为WC和石墨烯之间形成的强物理粘结界面。 采用自制的石墨烯/Al2O3基复合陶瓷刀具(AWTG0.5)在不同切削速度下进行了连续车削淬硬40Cr钢的切削实验，并与自制的不含石墨烯的AWTG0陶瓷刀具以及商用陶瓷刀具SG4和LT55进行了切削性能以及磨损特征和失效机理对比。研究发现，在连续切削淬硬40Cr钢时，AWTG0.5刀具的切削性能明显优于AWTG0以及商用SG4和LT55刀具。并且AWTG0.5刀具的主要失效形式为磨损，主要的磨损机理为粘结磨损和磨粒磨损。研究了石墨烯取向分布对刀具减摩抗磨性能和切削性能的影响，研究发现，石墨烯取向分布为垂直于加载压力方向时，更有利于提高陶瓷刀具的减摩抗磨性能和切削性能。
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