无定形Al2O3-SiO2/莫来石晶须软陶瓷设计及其塑性变形机制

采用溶胶-凝胶工艺获得莫来石化学计量组成附近的Al2O3-SiO2介稳态无定形混合料，添加少量莫来石晶须，经低温热压工艺制备无定形Al2O3-SiO2/Mullite晶须"软陶瓷"。该类材料在600-1200℃单向受压时可达到最高30%以上的塑性变形，且其应力应变曲线具有弹性-塑性转变并呈现明显屈服点，完全类似于金属材料的塑性变形形式，而区别于传统陶瓷和玻璃在玻璃转变温度附近的牛顿型粘性流动变形。在材料制备基础上，通过研究该类材料受压变形过程中的结构演变规律、键性转变形式及晶须/基体界面对变形的影响，分析其塑性变形机制。同时研究析晶温度以上，材料在不同温度、压力和时间作用下的析晶和变形规律，获得在较高温度抑制析晶而维持变形的控制条件和措施，为该类材料的进一步优化设计奠定基础，为先进航天器等领域对新型高温无机类热密封材料的实际需求提供候选材料。

针对先进航空器的热密封需求，设计了具有耐温、变形特征的新型陶瓷材料。对Al2O3-ZrO2、Al2O3-SiO2和Al2O3-MgO三种非晶陶瓷和莫来石纤维/晶须体系的压缩形变及温度、晶相对形变的影响进行了分析。非晶陶瓷的制备分为非晶粉体制备和非晶粉体热压成型。非晶粉体通过适当温度煅烧前驱体制备，成型则选择六面顶高压热压成型。非晶陶瓷压缩形变的实验结果表明，三种体系的非晶陶瓷在室温下压缩时都在弹性变形阶段断裂，压缩应变<10%。室温下的压缩形变主要来自于剪切带的承担及可能的气孔坍塌。非晶Al2O3-ZrO2陶瓷在500-700°C下进行压缩测试时，随测试温度的升高，形变由脆性断裂转变为塑性形变，弹性模量呈下降趋势。700°C压缩时，试样屈服点处的压缩应变约为28%，卸载前形变可达35%，试样弹性模量为2870 MPa。随着非晶陶瓷组分中晶相含量的增大，弹性模量先减小后增大，表明少量晶相有利于压缩形变的提高，过多晶相则出现反效果。非晶Al2O3-SiO2陶瓷在600-800°C下进行压缩测试时，试样呈现出高弹性形变，压缩过程中试样应变达到30%时卸载，卸载前试样仍处于弹性变形阶段。随测试温度的升高，试样的弹性模量逐渐减小，800°C压缩时试样的弹性模量约为1922MPa。非晶Al2O3-MgO陶瓷在500-600°C下进行压缩测试时，试样弹性模量随压缩温度升高呈减小趋势。试样在弹性变形阶段断裂，断裂前没有塑性形变的发生。对非晶陶瓷中温压缩形变机理进行总结，认为压缩过程中首先是气孔的坍塌压实，而后结构中原子跃迁导致自由体积的移动压缩及非晶基体中形成的剪切带的共同作用使非晶陶瓷具有一定压缩形变。自由体积运动起主导作用（空间网络结构较强）时，形变能力较强；剪切带作用为主导（空间网络结构较差）时，形变能力较差。