致密超细晶氧化铝纳米晶陶瓷的制备与断裂韧性研究
项目介绍
AI项目解读
基本信息
- 批准号:51772137
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:60.0万
- 负责人:
- 依托单位:
- 学科分类:E0204.结构陶瓷
- 结题年份:2021
- 批准年份:2017
- 项目状态:已结题
- 起止时间:2018-01-01 至2021-12-31
- 项目参与者:沈利亚; 马骥; 张杰; 马智锟; 李璐; 赵丽斌; 郭谦; 葛霖; 刘宇航;
- 关键词:
项目摘要
Alumina ceramic is the most widely used ceramic. But its brittleness limits its wider applications. Nanocrystalline microstructure can give alumina nanocrystalline ceramic good toughness through plastic deformation mechanisms such as grain boundary/triple junction diffusion, grain gliding, and grain rotation. As disperse fine α alumina nanoparticles smaller than 15 nm are unusually difficult to prepare, efforts to produce dense alumina nanocrystalline ceramic with grains smaller than 50 nm had not succeeded. The applicant has broken through the bottleneck problem of preparing disperse fine (<10 nm) α alumina nanoparticles and successfully sintered dense (99.7%) fine-grained (36 nm) alumina nanocrystalline ceramic. Based on our these results, the present project will optimize the improved two-step sintering process and pressurelessly sinter dense (>99.5%) fine-grained (≤33 nm) alumina nanocrystalline ceramic. Ultrahigh pressure hot pressing sintering will be applied to sinter dense (>99.5%) ultrafine-grained (≤15 nm) alumina nanocrystalline ceramic. The variation in fracture toughness and hardness of alumina nanocrystalline ceramic with grain size will be studied. The toughening and hardening mechanisms in alumina nanocrystalline ceramic will be revealed. Finally, alumina nanocrystalline ceramic with high fracture toughnesses (≥15MPa√m) will be developed. Alumina nanocrystalline ceramic of high fracture toughnesses has a vast application prospect in civil and defense fields.
氧化铝陶瓷是应用最广的陶瓷,但脆性限制了其更广泛应用。纳米晶微结构可通过晶界和三叉晶界扩散、晶粒滑动、晶粒转动等机制发生塑性变形,赋予氧化铝纳米晶陶瓷良好韧性。由于分散细小(<15nm)α氧化铝纳米颗粒的制备异常困难,致密细晶(<50nm)氧化铝纳米晶陶瓷的制备是不成功的。申请者在突破分散细小(<10nm) α氧化铝纳米颗粒制备瓶颈难题和成功烧结致密(99.7%)细晶(36nm)的氧化铝纳米晶陶瓷的基础上,本项目拟优化改进的两步烧结法工艺,无压烧结致密(>99.5%)细晶(≤33nm)氧化铝纳米晶陶瓷。超高压热压烧结制备致密(>99.5%)超细晶(≤15nm)氧化铝纳米晶陶瓷。研究氧化铝纳米晶陶瓷断裂韧性和硬度随晶粒尺寸的变化规律,揭示超细晶氧化铝纳米晶陶瓷的韧化和强化机理,开发高断裂韧性(≥15MPa√m)氧化铝纳米晶陶瓷。高断裂韧性氧化铝纳米晶陶瓷在国防、民用领域具有广阔的应用前景。
结项摘要
陶瓷的脆性限制了其更广泛应用。本项目研究高断裂韧性氧化铝纳米晶陶瓷。无压两步烧结制备相对密度>99.5%、晶粒尺寸33 nm的致密细晶Al2O3纳米晶陶瓷。高压和超高压热压烧结制备相对密度>99.5%、晶粒尺寸≤15 nm的致密超细晶Al2O3纳米晶陶瓷。分析陶瓷纯度、晶体结构、平均晶粒尺寸及其分布。分析晶界和三叉晶界体积分数随晶粒尺寸的变化。分析致密Al2O3纳米晶陶瓷的强化机制。分析Al2O3纳米晶陶瓷断裂韧性随晶粒尺寸的变化规律,分析韧化机制。.制备了完全分散、高纯、最细小(平均尺寸3.3 nm)、尺寸分布窄、比表面积最高(253 m2/g)、等轴的α-Al2O3纳米颗粒。发现超细α-Al2O3纳米颗粒在室温长时间存放发生明显颗粒长大。超细α-Al2O3纳米颗粒低温退火时展示极低的长大激活能(0.25 eV),坯体烧结时展示较低的晶界扩散激活能。超细α-Al2O3纳米颗粒在室温展示以0.01 s-1的应变速率发生90%形变的赝弹性行为。无压两步烧结制备了无压烧结条件下晶粒最细(30 nm)、晶粒尺寸超均匀、致密Al2O3纳米晶陶瓷。高压两步热压烧结、真空处理制备了至今晶粒最细(9.2 nm)、近乎致密(98.8%)的Al2O3纳米晶陶瓷。Al2O3纳米晶陶瓷硬度随平均晶粒尺寸d变化,在d>84 nm时,符合正常Hall-Petch关系。暗示硬化机理为细晶强化。细晶致密Al2O3纳米晶陶瓷的断裂韧性高达4.8 MPam,是常规多晶氧化铝陶瓷断裂韧性的最高值。对Al2O3纳米晶陶瓷显微压痕应变区域的微结构分析表明,韧化机理为借助晶界滑动和晶粒旋转的塑性变形。.本项目部分成果被Science报道。本项目的完成推进了Al2O3纳米晶陶瓷的研究,为开发韧性Al2O3陶瓷迈步出了关键一步。
项目成果
期刊论文数量(17)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Disperse ultrafine amorphous SiO2 nanoparticles synthesized via precipitation and calcination
通过沉淀和煅烧合成分散超细无定形 SiO2 纳米粒子
- DOI:10.1016/j.colsurfa.2019.02.041
- 发表时间:2019-05
- 期刊:Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects
- 影响因子:--
- 作者:Yang Guoqiang;Guo Qian;Yang Desheng;Peng Peng;Li Jiangong
- 通讯作者:Li Jiangong
Low temperature preparation of pore structure controllable graphene for high volumetric performance supercapacitors
用于高容量性能超级电容器的孔结构可控石墨烯的低温制备
- DOI:10.1016/j.electacta.2018.04.034
- 发表时间:2018-05-20
- 期刊:ELECTROCHIMICA ACTA
- 影响因子:6.6
- 作者:Chen, Songbo;Gao, Wensheng;Bai, Yongxiao
- 通讯作者:Bai, Yongxiao
Robust and Antibacterial Polymer/Mechanically Exfoliated Graphene Nanocomposite Fibers for Biomedical Applications
用于生物医学应用的坚固抗菌聚合物/机械剥离石墨烯纳米复合纤维。
- DOI:10.1021/acsami.7b17835
- 发表时间:2018-01-24
- 期刊:ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES
- 影响因子:9.5
- 作者:Ma, Yu;Bai, Dongchen;Bai, Yongxiao
- 通讯作者:Bai, Yongxiao
Ultra-Uniform Nanocrystalline Materials via Two-Step Sintering
通过两步烧结制备超均匀纳米晶材料
- DOI:10.1002/adfm.202007750
- 发表时间:2020-09-30
- 期刊:ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS
- 影响因子:19
- 作者:Dong, Yanhao;Yang, Hongbing;Chen, I-Wei
- 通讯作者:Chen, I-Wei
Carbon dots derived from flax straw for highly sensitive and selective detections of cobalt, chromium, and ascorbic acid
源自亚麻秸秆的碳点,用于高灵敏度和选择性检测钴、铬和抗坏血酸。
- DOI:10.1016/j.jcis.2020.06.034
- 发表时间:2020-11-01
- 期刊:JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE
- 影响因子:9.9
- 作者:Hu, Guangkuo;Ge, Lin;Li, Jiangong
- 通讯作者:Li, Jiangong
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- 作者:李建功;赵建平;王天民
- 通讯作者:王天民
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