無(wú)機(jī)材料性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)報(bào)告范文實(shí)驗(yàn)名稱：氧化鋁-氧化鋯復(fù)合陶瓷力學(xué)與熱學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：XX大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院無(wú)機(jī)材料實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)時(shí)間：202X年X月X日-202X年X月X日實(shí)驗(yàn)人員：張三（學(xué)號(hào)：XXX）、李四（學(xué)號(hào)：XXX）、王五（指導(dǎo)教師）摘要本實(shí)驗(yàn)以氧化鋁（Al?O?）和氧化鋯（ZrO?）為原料，采用固相燒結(jié)法制備了不同ZrO?含量（0、5%、10%、15%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Al?O?-ZrO?復(fù)合陶瓷。通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、維氏硬度計(jì)、差熱分析儀（DTA）及熱膨脹儀等設(shè)備，系統(tǒng)測(cè)試了復(fù)合陶瓷的抗壓強(qiáng)度、維氏硬度、熱穩(wěn)定性及熱膨脹系數(shù)，并分析了ZrO?含量對(duì)其性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)ZrO?含量為10%時(shí)，復(fù)合陶瓷的綜合性能最優(yōu)，維氏硬度達(dá)1250HV，抗壓強(qiáng)度為520MPa，熱膨脹系數(shù)為6.1×10??/℃，且在1200℃高溫下無(wú)明顯熱分解。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果為Al?O?-ZrO?復(fù)合陶瓷在高溫結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。1引言Al?O?陶瓷具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域，但存在脆性大、熱膨脹系數(shù)較高的缺陷[1]。ZrO?陶瓷因具有相變?cè)鲰g效應(yīng)，可有效改善Al?O?陶瓷的脆性[2]。因此，制備Al?O?-ZrO?復(fù)合陶瓷并研究其性能，對(duì)拓展無(wú)機(jī)材料的應(yīng)用范圍具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)調(diào)整ZrO?含量，優(yōu)化Al?O?-ZrO?復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能（硬度、抗壓強(qiáng)度）和熱學(xué)性能（熱穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)），為其工業(yè)化生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2實(shí)驗(yàn)部分2.1樣品制備原料：α-Al?O?粉末（純度≥99.5%，粒徑≤1μm）、ZrO?粉末（純度≥99.0%，粒徑≤0.5μm）、聚乙烯醇（PVA，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，粘結(jié)劑）。配方設(shè)計(jì)：制備ZrO?含量為0（純Al?O?）、5%、10%、15%的復(fù)合陶瓷樣品，編號(hào)分別為S0、S5、S10、S15。制備工藝：1.球磨混合：將原料按配方稱量后，加入乙醇作為球磨介質(zhì)（料:球:乙醇=1:2:1.5），采用行星式球磨機(jī)球磨6h（轉(zhuǎn)速300r/min），確保粉末均勻混合。2.干燥造粒：將球磨后的漿料置于真空干燥箱中，60℃干燥12h，研磨過(guò)100目篩，得到顆粒均勻的粉料。3.壓制成型：向粉料中加入5%的PVA粘結(jié)劑，混合均勻后，采用液壓機(jī)在200MPa壓力下壓制成Φ20mm×5mm的圓片試樣。4.燒結(jié)：將壓坯置于箱式電阻爐中，以5℃/min的升溫速率升至1500℃，保溫2h，自然冷卻至室溫。2.2測(cè)試設(shè)備與方法力學(xué)性能測(cè)試：維氏硬度：采用HVS-1000型維氏硬度計(jì)，加載力10N，保壓時(shí)間15s，每個(gè)樣品測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，取平均值?？箟簭?qiáng)度：采用Instron5967型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速率0.5mm/min，根據(jù)GB/T____標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算抗壓強(qiáng)度。熱學(xué)性能測(cè)試：熱穩(wěn)定性：采用NetzschSTA449F3型差熱分析儀（DTA），測(cè)試范圍室溫至1200℃，升溫速率10℃/min，氣氛為空氣。熱膨脹系數(shù)：采用DIL402C型熱膨脹儀，測(cè)試范圍室溫至1000℃，升溫速率5℃/min，根據(jù)GB/T____標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算線膨脹系數(shù)（α）。3結(jié)果與討論3.1力學(xué)性能分析3.1.1維氏硬度圖1為不同ZrO?含量復(fù)合陶瓷的維氏硬度變化曲線。由圖可知，隨著ZrO?含量的增加，維氏硬度呈現(xiàn)“先升后降”的趨勢(shì)：S0（純Al?O?）的硬度為980HV，S5（5%ZrO?）升至1120HV，S10（10%ZrO?）達(dá)到最大值1250HV，S15（15%ZrO?）降至1100HV。討論：ZrO?的加入通過(guò)相變?cè)鲰g效應(yīng)（t-ZrO?→m-ZrO?）抑制了裂紋擴(kuò)展，提高了硬度[3]。當(dāng)ZrO?含量超過(guò)10%時(shí)，過(guò)多的ZrO?會(huì)導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大（如圖2所示，S15的晶粒尺寸約為2μm，而S10的晶粒尺寸約為1μm），孔隙率增加（S15的孔隙率為3.2%，S10為1.8%），從而導(dǎo)致硬度下降。圖1不同ZrO?含量復(fù)合陶瓷的維氏硬度曲線3.1.2抗壓強(qiáng)度圖3為不同ZrO?含量復(fù)合陶瓷的抗壓強(qiáng)度變化曲線。與硬度變化趨勢(shì)一致，抗壓強(qiáng)度隨ZrO?含量增加先升后降：S0的抗壓強(qiáng)度為350MPa，S5升至420MPa，S10達(dá)到最大值520MPa，S15降至450MPa。討論：抗壓強(qiáng)度的變化主要與晶粒尺寸和相變?cè)鲰g效果有關(guān)。S10的晶粒細(xì)小且均勻，相變?cè)鲰g效應(yīng)顯著（t-ZrO?含量約為85%），裂紋擴(kuò)展路徑曲折（如圖4所示），因此抗壓強(qiáng)度最高。S15的t-ZrO?含量降至70%，相變?cè)鲰g效果減弱，同時(shí)晶粒長(zhǎng)大導(dǎo)致裂紋易沿晶界擴(kuò)展，抗壓強(qiáng)度下降。圖3不同ZrO?含量復(fù)合陶瓷的抗壓強(qiáng)度曲線3.2熱學(xué)性能分析3.2.1熱穩(wěn)定性圖5為S10樣品的DTA曲線。曲線在室溫至1200℃范圍內(nèi)無(wú)明顯吸熱或放熱峰，表明樣品在該溫度范圍內(nèi)無(wú)相變或分解反應(yīng)，熱穩(wěn)定性良好。這主要是因?yàn)锳l?O?和ZrO?均為高溫穩(wěn)定相，且二者之間形成了固溶體（通過(guò)XRD分析，S10的衍射峰均為Al?O?和ZrO?的特征峰，無(wú)新相生成），提高了熱穩(wěn)定性。圖5S10樣品的DTA曲線3.2.2熱膨脹系數(shù)表1為不同ZrO?含量復(fù)合陶瓷的熱膨脹系數(shù)（α）。由表可知，α隨ZrO?含量增加而降低：S0的α為8.2×10??/℃，S5為7.1×10??/℃，S10為6.1×10??/℃，S15為5.5×10??/℃。討論：ZrO?的熱膨脹系數(shù)（約4.5×10??/℃）低于Al?O?（約8.0×10??/℃），因此隨著ZrO?含量增加，復(fù)合陶瓷的平均熱膨脹系數(shù)降低[4]。S10的α為6.1×10??/℃，低于純Al?O?的8.2×10??/℃，表明其在高溫下的尺寸穩(wěn)定性更好，適合用于溫度波動(dòng)較大的環(huán)境。表1不同ZrO?含量復(fù)合陶瓷的熱膨脹系數(shù)樣品編號(hào)ZrO?含量（%）熱膨脹系數(shù)（×10??/℃）S008.2S557.1S10106.1S15155.54結(jié)論1.力學(xué)性能：當(dāng)ZrO?含量為10%時(shí)，Al?O?-ZrO?復(fù)合陶瓷的維氏硬度（1250HV）和抗壓強(qiáng)度（520MPa）均達(dá)到最大值，相較于純Al?O?分別提高了27.6%和48.6%。2.熱學(xué)性能：隨著ZrO?含量增加，復(fù)合陶瓷的熱膨脹系數(shù)逐漸降低，S10的熱膨脹系數(shù)為6.1×10??/℃，且在1200℃高溫下無(wú)明顯熱分解，熱穩(wěn)定性良好。3.優(yōu)化配方：10%ZrO?含量的Al?O?-ZrO?復(fù)合陶瓷綜合性能最優(yōu)，適合用于高溫結(jié)構(gòu)材料（如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、高溫模具等）。參考文獻(xiàn)[1]王福明.無(wú)機(jī)材料物理性能[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2018:____.[2]張立群.陶瓷材料學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2019:____.[3]李建保.先進(jìn)陶瓷材料[M].北京:清華大學(xué)出版社,2020:____.[4]ASTMC____.Standar