关键词：
石墨烯
氧化锆
力学性能
增韧
摘要：
氧化锆陶瓷材料具有十分优异测化学、物理性能。其在室温下具有较好的力学性能,而且其抗高温、耐化学腐蚀性较好,是一种非常有应用前景的高温陶瓷。然而,由于陶瓷自身的本征脆性及其本征脆性导致的较差的摩擦磨损性能,很大程度制约了其更广泛的应用。针对上述问题,发展氧化锆陶瓷复合材料被公认为是一种行之有效的方法。本论文基于多层石墨烯纳米片（GNS）优异的力学性能,提出了石墨烯纳米片增韧5mol.%氧化钇稳定氧化锆（TZP）复合材料的研究思路。为确保复合材料中GNS的均匀分布,采用了超声混合结合表面活性剂分散的方法制得了GNS/TZP复合材料粉末（其中,GNS的含量分别为0wt.%,0.5wt.%,0.75wt.%和1.0wt.%）,利用放电等离子烧结（spark plasma sintering,SPS）技术制备GNS/TZP复合材料,并对所制备的样品进行了物相表征,显微组织结构分析及相关力学性能如弹性模量、显微硬度、断裂韧性及摩擦磨损性能评价。采用X射线衍射和拉曼光谱进一步研究了放电等离子（SPS）烧结复合材料的物相组成,结果表明TZP在高温烧结中没有相变,依然保持其四方晶体结构,并且GNS在高温高压烧结条件下可保持其固有结构。通过冷场发射扫描电镜（SEM）,对材料显微组织/形貌观察发现,GNS在复合材料中分布较为均匀,且复合材料中晶粒得到了显著细化,这主要得益于石墨烯纳米片优异的传热性能。使用仪器化微纳压入设备和显微硬度计测试研究了氧化锆及GNS/TZP复合材料的力学性能（如显微硬度、弹性模量和断裂韧性）,并使用仪器化划入技术研究了复合材料的摩擦莫寻在材料表面进行划入实验,得出划入残余深度和TZP在不同GNS添加量下的摩擦系数。使用SEM观察材料断面,压痕、划痕形貌和压入、划入产生的裂纹形貌。再由以上结果分析复合材料的增韧机制和摩擦磨损性能。研究结果表明,与未添加GNSs的TZP相比,0.5wt%GNS/TZP弹性模量较TZP提升了20%,显微硬度增加了12%,断裂韧性提高了36%（从4.1MPa m0.5提升到5.6MPa m0.5）.。研究发现GNS/TZP复合材料主要增韧机制是石墨烯的拔出,桥接,裂纹的偏转和裂纹的分叉。采用已有模型计算了复合材料界面在应力,并得出了GNS的临界增韧长度。计算了GNS的拔出应力释放率和复合材料的残余热应力,结果表明残余热应力对于复合材料的力学性能影响可以忽略。仪器化划入测试结果表明,尽管GNS/TZP复合材料的摩擦系数高于TZP,但纯TZP材料在仪器化划入过程中的损伤机制主要表现为脆性断裂,而GNS/TZP复合材料则转变为粘着磨损为主、脆性断裂为辅的损伤机制,这主要源于GNS/TZP复合材料断裂韧性的显著改善。
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