高强度BNNTs/Si3N4复合陶瓷的强韧化机理与高温性能研究

氮化硼纳米管(Boron nitride nanotubes，BNNTs)具有优异的力学性能、导热性、抗氧化性、化学稳定性及高的弹性模量，在高温及其它恶劣环境中有着广泛的应用前景，然而宏量制备技术的缺乏是目前氮化硼纳米管性能研究与应用的瓶颈。本项目提出一种以碳纳米管作模板、在较低温度下大量制备氮化硼纳米管的新技术，并通过热压烧结制备氮化硼纳米管/氮化硅复合陶瓷，对其室温和高温力学性能、抗热震性、高温蠕变性能、热稳定性、抗氧化性能等进行测试。利用XRD、TEM、HRTEM、F-SEM等观察分析材料的微观结构，研究氮化硼纳米管的加入、分散、烧结工艺等对氮化硅复合陶瓷高温性能的影响，阐明氮化硼纳米管与氮化硅复合陶瓷性能之间的内在联系及作用机理，建立氮化硼纳米管补强增韧氮化硅陶瓷复合材料的理论模型，探讨强韧化机理，为进一步研究与开发氮化硼纳米管增强陶瓷基复合材料提供可靠的理论指导和依据。 2100433B

首次系统地提出基于半连续铸造的高温强韧性变形铝硅合金概念。前期研究工作获得了具有细小等轴晶、硅颗粒弥散分布的轧制与挤压组织，部分合金塑性指标处于国际前列，首次发现共晶组织在加热过程中伴随硅相颗粒化铝基体等轴细晶组织的形成。基于半连续铸造，结合形变热处理，低成本工业制造高温强韧性变形铝硅合金已经可能。本研究将针对发现的新现象，开展有关变形铝硅合金的塑性变形机理和高温强韧化机理的研究，包括：多相共存状态下，热处理过程中铸态共晶组织硅相颗粒化与共晶铝基体细晶化机理。多相共存状态下，半连续铸造多元铝硅合金在变形过程中的颗粒诱发动态再结晶机理；高温稳定第二相粒子在变形、热处理过程中的分布、相变过程与材料的高温强韧机理并研制出适合活塞加工满足高温力学性能要求的合金。

• 版次：1

• 商品编码：12795455

• 品牌：化学工业出版社

• 包装：平装

• 开本：32开

• 用纸：胶版纸

• 页数：190

• 正文语种：中文

内容简介

《石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料及性能研究》详细地分析了石墨烯强韧化氧化铝基陶瓷刀具材料的设计及性能：通过在氧化铝基陶瓷刀具材料中加入石墨烯来调节界面结构，借助计算力学技术和有限元分析技术，分析了陶瓷复合材料微观结构与宏观力学性能之间的关系，设计并构筑了石墨烯强韧化氧化铝-碳化钛复相陶瓷材料界面，引入多种强韧化机制，以显著提高陶瓷刀具材料的切削性能。这对提高淬硬钢等难加工材料的加工效率具有重要的实际意义，也对后续石墨烯的分散方式以及石墨烯的改性方式的研究提供理论依据。

本书可供刀具设计人员及高等院校相关专业院校师生参考。

目录

第1章陶瓷刀具材料概述1

1.1切削刀具材料1

1.2陶瓷刀具材料的发展及研究现状4

1.2.1陶瓷刀具材料的发展4

1.2.2陶瓷刀具材料的分类6

1.2.3陶瓷刀具材料强韧化机理8

1.2.4氧化铝陶瓷刀具研究现状13

1.2.5界面调控及其在复合材料中的应用14

1.2.6石墨烯-陶瓷复合材料研究现状16

1.3陶瓷刀具材料设计与研究方法19

1.3.1陶瓷材料设计方法19

1.3.2多尺度方法概述22

1.3.3基于计算几何的仿真技术26

第2章陶瓷刀具材料界面性质30

2.1材料计算概述31

2.2建模理论32

2.2.1CASTEP介绍32

2.2.2CASTEP的使用34

2.2.3密度泛函理论35

2.2.4基于密度泛函理论的计算方法38

2.3界面结构与材料性能的关系40

2.4晶体体性质的计算42

2.4.1能带理论42

2.4.2α-氧化铝的体性质44

2.4.3碳化钛的体性质49

2.4.4石墨烯的性质52

2.5晶面性质的计算54

2.5.1α-氧化铝表面性质的计算55

2.5.2碳化钛表面性质的计算57

2.6界面性质的计算59

2.6.1氧化铝和碳化钛界面61

2.6.2石墨烯与其他晶面的界面62

2.7界面结合强度计算63

第3章基于微观结构有限元分析模型的陶瓷刀具材料性能预报68

3.1模拟方法概述69

3.2材料微观结构有限元分析模型70

3.2.1代表性体积单元70

3.2.2微观结构几何模型72

3.2.3晶粒位向及材料各向异性76

3.2.4损伤和断裂准则78

3.3微观结构有限元模型仿真参数确定82

3.3.1内聚力单元刚度82

3.3.2晶粒形状86

3.3.3模型可靠性验证88

3.3.4含石墨烯的陶瓷刀具材料有限元分析模型88

3.4基于微观结构有限元模型的性能预报模型 91

3.4.1基于数值的均匀化方法简介91

3.4.2性能预报模型中宏、微观参数的关联92

3.4.3断裂韧性的预测模型及影响因素97

3.4.4抗弯强度的预测模型及影响因素106

第4章石墨烯强韧化复相陶瓷刀具材料制备及力学性能118

4.1刀具材料制备118

4.1.1原材料概述118

4.1.2材料相容性判定119

4.1.3石墨烯的分散121

4.1.4刀具材料的制备流程122

4.1.5材料的力学性能和微观结构测试方法124

4.2所制备材料的力学性能126

4.3复合陶瓷刀具材料微观结构分析127

4.3.1粉料微观形貌及烧结前后材料的成分对比127

4.3.2试样表面压痕裂纹分析130

4.3.3断口微观形貌分析132

4.3.4界面结构观察135

4.4石墨烯的作用机理分析138

4.4.1界面差分电子密度计算138

4.4.2强弱界面协同强韧化139

4.4.3石墨烯其他强韧化机理140

4.5石墨烯强韧化陶瓷刀具材料的各向异性141

第5章石墨烯强韧化复相陶瓷刀具切削性能147

5.1试验条件147

5.2切削过程与切屑形态150

5.3切削力与切削温度152

5.4石墨烯含量对陶瓷刀具损伤特征的影响156

5.5刀具寿命与刀具失效演变161

5.6刀具失效特征与失效机理167

参考文献173