摘要
环境友好与资源保护作为新世纪的重要主题之一，工业材料的研制与发展要始终秉持低能高效，绿色持久的理念。Al2O3陶瓷相较于合金材料因具有优异的机械强度，绿色无毒的材料特性，并能以低资源损耗和低环境污染特点而备受工业加工、冶金航天、汽车军工等领域青睐。然而单相 Al2O3陶瓷的脆性缺陷限制了其更深层次的发展应用，针对该问题许多学者研究出多种陶瓷增强方法，其中晶须增强作为一种高效可控的增强手段被学术界广泛采用。硼酸铝晶须（9Al2O3?2B2O3，简写 ABOw）作为一种高韧性和强力学性能的增强材料在金属基材料增强领域备受关注，目前鲜少有该晶须应用于氧化铝陶瓷增强领域的相关报导。因此本文从“优化复合陶瓷成分设计”和“提升力学与摩擦磨损性能”角度出发，以Al2O3为基体材料，选择TiB2作为烧结助剂，引入硼酸铝晶须以期有效改善复合陶瓷的脆性缺陷和提升材料的力学与摩擦磨损性能。 本文基于热压烧结技术，依据材料设计原则采用外加晶须法成功研制出ABOw/TiB2/ Al2O3复合陶瓷（ATA）与TiB2/ Al2O3复合陶瓷（空白AB），并在该技术基础上探究了不同的晶须含量对复合陶瓷的力学性能、物相组成和微观结构的影响，研究发现：硼酸铝晶须的引入有效增强了ATA，且认定在1530℃、以5%晶须含量为梯度的制备条件下，当硼酸铝体积含量为15%时，ATA的综合力学性能表现良好，其相对密度k=99.38%，抗弯强度 ???? =577.79 MPa，断裂强度KIC =6.55 MPa，维氏硬度HV =17.1 GPa。这是因为当晶须含量较小时无法对Al2O3基陶瓷进行有效的力学性能增强，甚至会被看作是引入了杂质导致陶瓷的性能下降；当其含量过高时，由于自身原因难以均匀分散在基体材料中，导致晶须出现团聚现象进而造成材料微观结构高概率空洞问题。 由探究得到的最佳配比方案，针对烧结工艺参数中的烧结温度对复合陶瓷的力学性能和微观组织影响进行研究，研究表明：烧结温度的变化能够显著影响 ATA 的力学性能和微观组织变化，当烧结温度为1510℃时ATA综合力学性能显著提升，此时复合陶瓷的相对密度k=99.70%，抗弯强度 ???? =696.37 MPa，断裂强度KIC =6.43 MPa，维氏硬度HV =17.6 GPa。温度的升高促使材料晶粒长大且颗粒尖角趋于圆润，减少应力集中出现并阻碍裂纹扩展，同时该过程中的残余热应力、固溶强化机制也对材料的增韧效果发挥协同作用，但过高的温度会导致材料内部在烧结过程中有部分气泡来不及排出从而降低了材料的致密度，进而造成相关力学性能在过高温度烧结条件下呈下降变化。 ABOw增强ATA的增强机理是在烧结过程中液相化后，或流动到材料颗粒缝隙间填充，待冷却后聚拢结构骨架，构成新的晶体界面使各晶粒结合，强化其力学性能；或作为异质形核点表面包覆晶粒上，使晶粒均匀长大，产生细晶强化；部分液相化晶须在冷却环节中重新结晶析出晶须，利用晶须桥接插拔和裂纹偏转机制吸收断裂能，阻碍破坏。在这些增强机制的共同作用下，复合陶瓷的韧性显著提升。 摩擦磨损作为常见的材料机械损毁方式，通常陶瓷工件的失效原因是其在工作过程中被严重磨损，因此本文针对ATA复合陶瓷的摩擦磨损性能做出相关研究，结果表明：复合陶瓷的摩擦系数与磨损率在同一因素影响下变化趋势一致，均与摩擦法向荷载呈正相关变化，与摩擦转速呈负相关变化。在同一摩擦条件下，ATA的抗摩擦磨损性能优于空白AB，即摩擦系数和磨损率均小于未引入硼酸铝晶须的空白AB。观察两种材料的磨损形貌进行磨损机制分析，发现空白AB复合陶瓷的磨损机制为材料的微断裂、破碎脱离；ATA复合陶瓷的磨损机制为磨粒磨损和粘结磨损，其中ABOw在材料接触表面上抵抗了摩擦时硬质合金摩擦副接触面上的凸起部分的嵌入与犁切，并利用钉扎效应把摩擦荷载产生的应力传递至内部，避免接触表面出现大量的应力集中区域，从而降低材料的磨损率，同时其自身具有良好的自润滑能力，在摩擦过程中发生塑性形变，能够有效提升复合陶瓷的摩擦磨损性能。
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