1、山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告研究題目：研究題目：陶瓷基復合材料微觀結構 及特性的理論研究博士生：博士生： 陳守剛陳守剛 導導 師：師： 尹衍升尹衍升 教授教授山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究1. 選題背景 2.研究現狀3.研究方法和研究內容4. 技術路線5. 創新點6. 可行性 分析7. 論文進展安排山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的

2、理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究一一. 選題背景選題背景課題的提出意義及來源課題的提出意義及來源山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究一一. 選題背景選題背景山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究一一. . 選題背景選題背景 山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理

3、論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究一. 選題背景 3.3.課題的提出意義及來源課題的提出意義及來源山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究二. 復合材料的理論研究現狀1.復合材料界面增強增韌的理論研究復合材料界面增強增韌的理論研究表面包覆材料界面結合強度的理論預測表面包覆材料界面結合強度的理論預測 張等人利用張等人利用DFT(B3lyp)方法，詳細研究了方法，詳細研究了BN超硬材料在其金屬超硬材料在其金屬（ Al）表面的包覆。微觀動力學研究表明：）表面的包覆。微觀動

4、力學研究表明：Al-N鍵結合要強于鍵結合要強于Al-B鍵，從而推測認為對鍵，從而推測認為對N在在Al(001)面的優先吸附對生成面的優先吸附對生成C-BN相是有利相是有利的，對的，對Al(001)面預先氮化處理有助于面預先氮化處理有助于C-BN在鋁基體的吸附在鋁基體的吸附.山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究二. 研究現狀1.復合材料界面增強增韌的理論研究復合材料界面增強增韌的理論研究復合材料界面能的預測復合材料界面能的預測 BABAadW 分別計算兩種材料表面的能量及形

5、成復合界面的能量，獲得吸附分別計算兩種材料表面的能量及形成復合界面的能量，獲得吸附能預測材料表面的結合能。能預測材料表面的結合能。 ABBAadWWWW山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究二. 研究現狀1.復合材料界面增強增韌的理論研究復合材料界面增強增韌的理論研究陶瓷材料間韌化機制的簡單模型陶瓷材料間韌化機制的簡單模型 Painter等人使用局域密度近似等人使用局域密度近似(LDA)方法，在氮化硅（方法，在氮化硅（Si3N4）和）和氧化鋁氧化鋁(Al2O3)復合材料的燒

6、結性能研究中，以偶合四面體團簇模型復合材料的燒結性能研究中，以偶合四面體團簇模型(右圖右圖)研究了基體相研究了基體相(Si3N4)與形成的玻璃相（與形成的玻璃相（ ）的）的界面各種組分變化的相對穩定能（鍵能）。計算結果認為，在界面各種組分變化的相對穩定能（鍵能）。計算結果認為，在Si3N4基體上優先形成基體上優先形成Al-N鍵，鋁原子的優先占位促進了鍵，鋁原子的優先占位促進了SiAlON的指的指數增長，交叉網絡鍵模型促進了界面的強化。數增長，交叉網絡鍵模型促進了界面的強化。ZZZZNOAlSi86山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料

7、微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究二二. . 研究現狀研究現狀2. 氧化鋯相變機制的研究氧化鋯相變機制的研究表面化學理論表面化學理論應力腐蝕理論應力腐蝕理論 陽離子陽離子-空位擴散理論空位擴散理論 山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究二. 氧化鋯陶瓷的研究現狀1. 相變機制的研究相變機制的研究表面化學理論表面化學理論應力腐蝕理論應力腐蝕理論 陽離子陽離子-空位擴散理論空位擴散理論 1 lang認為由于認為由于Y3+從內部向表面擴散與吸附水分子反

8、應形成從內部向表面擴散與吸附水分子反應形成Y(OH)3, 在在Y2O3含量低的地方成為含量低的地方成為m相形核的有利位置，使相變從表面向內發展；相形核的有利位置，使相變從表面向內發展； 2 Schubert認為認為Y3+不可能從內部向表面擴散，而是吸附的水從點陣中向不可能從內部向表面擴散，而是吸附的水從點陣中向內擴散。內擴散。 3 Yoshimara任為任為Y(OH)3晶體的形成是不可能的，而是水在表面吸附解離晶體的形成是不可能的，而是水在表面吸附解離形成形成Zr-OH或或Y-OH導致應力集中發生相變導致應力集中發生相變缺陷：表面化學理論的提出，基于水提高缺陷：表面化學理論的提出，基于水提高t

9、-M相變速率，但不能解釋惰性相變速率，但不能解釋惰性氣氛中時效試樣。氣氛中時效試樣。山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究二. 氧化鋯陶瓷的研究現狀2. 相變機制的研究相變機制的研究表面化學理論表面化學理論應力腐蝕理論應力腐蝕理論 陽離子陽離子-空位擴散理論空位擴散理論 Schumauder等人認為時效過程并不單獨由水的表面化學吸附造成，而是由等人認為時效過程并不單獨由水的表面化學吸附造成，而是由Y2O3在缺陷表面或在在缺陷表面或在t相晶粒內不均勻分布造成的不均勻應力和水共

10、同作相晶粒內不均勻分布造成的不均勻應力和水共同作用結果。用結果。山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究二. 氧化鋯陶瓷的研究現狀2. 相變機制的研究相變機制的研究表面化學理論表面化學理論應力腐蝕理論應力腐蝕理論 陽離子陽離子-空位擴散理論空位擴散理論 1 Nakanishi等人首先提出等人首先提出Y2O3-ZrO2陶瓷中陶瓷中t-m相變是一種受氧離子短程擴散控制的類貝氏體相變是一種受氧離子短程擴散控制的類貝氏體相變。相變。2 國內許祖耀、路新瀛等人認為國內許祖耀、路新瀛等人

11、認為CeO2-ZrO2的等溫相變是受氧擴散控制的貝氏相變，氧空位的等溫相變是受氧擴散控制的貝氏相變，氧空位濃度的增加或減少都會導致濃度的增加或減少都會導致t-m相變。相變。3 鄭秀華研究認為相變過程不僅存在氧離子鄭秀華研究認為相變過程不僅存在氧離子-空位擴散，而且還可能有陽離子空位擴散，而且還可能有陽離子-空位擴散，摻空位擴散，摻雜導致雜導致Zr-O配位層中空位數目的減少，從而降低了四方相的穩定性。配位層中空位數目的減少，從而降低了四方相的穩定性。4 最近羅曼光譜對氧化鋯表面吸附最近羅曼光譜對氧化鋯表面吸附SO42-和和Y2O3穩定的氧化鋯研究表明，穩定的氧化鋯研究表明，t-m相變開始于表面相

12、變開始于表面并逐漸到體內，并逐漸到體內，SO42-表面酸化的氧化鋯在表面酸化的氧化鋯在600度還幾乎沒發生相變，度還幾乎沒發生相變，Y2O3穩定的氧化鋯在穩定的氧化鋯在800度盡管表面發生了相變，但體內氧化鋯體內仍保持四方相。度盡管表面發生了相變，但體內氧化鋯體內仍保持四方相。 山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究二. 研究現狀3 .存在問題存在問題 陶瓷材料的界面的研究側重于金屬與陶瓷材料的表面，而對陶瓷材陶瓷材料的界面的研究側重于金屬與陶瓷材料的表面，而對陶瓷材料與陶

13、瓷材料和陶瓷材料與金屬間化合物的微觀理論研究較少，對它料與陶瓷材料和陶瓷材料與金屬間化合物的微觀理論研究較少，對它們界面結合的擇優取向和成分變化影響的理論研究還罕見報道。們界面結合的擇優取向和成分變化影響的理論研究還罕見報道。 對氧化鋯基陶瓷材料的相變規律缺乏統一的理論指導，相變機制的研究主對氧化鋯基陶瓷材料的相變規律缺乏統一的理論指導，相變機制的研究主要集中于要集中于Y2O3-ZrO2體系，而對體系，而對CeO2、MgO、CaO的研究相對較少特別是陰的研究相對較少特別是陰離子離子N、C粒子摻雜影響則更少，有關的動力學數據少而不完善，而且實驗粒子摻雜影響則更少，有關的動力學數據少而不完善，而且

14、實驗結果對氧化鋯等溫相變機制還存在矛盾結果對氧化鋯等溫相變機制還存在矛盾。山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究三. 研究內容和方法 1.建立合適模型建立合適模型 2.計算計算 3.對照實驗和理論結果對照實驗和理論結果1建立并優選氧化鋯及其它材料晶胞、表面建立并優選氧化鋯及其它材料晶胞、表面 （100）、（）、（110）和（和（111） 和團簇（和團簇（Cluster）的模型）的模型3建立氧化鋯（建立氧化鋯（100）、（）、（110）和（）和（111）表面和各種晶胞的）表面

15、和各種晶胞的空位（氧空位）和摻雜（氧離子置換鋯離子，氮原子置換氧離子空位（氧空位）和摻雜（氧離子置換鋯離子，氮原子置換氧離子造成空位，碳原子占據間隙位）造成空位，碳原子占據間隙位） 山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究三. 研究內容和方法 1.建立合適模型建立合適模型 2.計算計算 3.對照實驗和理論結果對照實驗和理論結果 1. 計算時以空位為中心選取不同的氧原子計算時以空位為中心選取不同的氧原子-空位擴散途徑，對所選取的空位擴散途徑，對所選取的模型考慮不同陽離子置換和陰

16、離子置換進行靜態勢能面掃描和單點能模型考慮不同陽離子置換和陰離子置換進行靜態勢能面掃描和單點能計算，結合實驗結果，對得到吸附擴散動力學數據進行系統分析，探計算，結合實驗結果，對得到吸附擴散動力學數據進行系統分析，探明影響氧化鋯相變的規律。明影響氧化鋯相變的規律。 2. 計算優選的各種材料的穩定團簇，使用半經驗、密度泛函和動力學計算優選的各種材料的穩定團簇，使用半經驗、密度泛函和動力學方法以優選的團簇復合研究氧化鋯增強增韌金屬，氧化物陶瓷、非氧方法以優選的團簇復合研究氧化鋯增強增韌金屬，氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和金屬間化合物不同表面的擇優結合的吸附能進行理論定性化物陶瓷和金屬間化合物不同表面的擇

17、優結合的吸附能進行理論定性預測，考慮不同添加劑和成分對界面結合強度的影響預測，考慮不同添加劑和成分對界面結合強度的影響,對實驗操作進行對實驗操作進行理論指導。理論指導。山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究三. 研究內容和方法 1.建立合適模型建立合適模型 2.計算計算 3.對照實驗和理論結果對照實驗和理論結果3. 利用高分辨電子顯微鏡（利用高分辨電子顯微鏡（HREM)、電子衍射、中子散射、電子衍射、中子散射、x射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS）對典型試樣晶界原子排列

18、方式、鍵）對典型試樣晶界原子排列方式、鍵合形式、配位方式、摻雜原子偏聚以及缺陷的組態進行直接合形式、配位方式、摻雜原子偏聚以及缺陷的組態進行直接的觀察和分析，結合理論結果建立的觀察和分析，結合理論結果建立ZrO2納米陶瓷微觀結構與納米陶瓷微觀結構與性能之間的關系模型。性能之間的關系模型。山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究四. 技術路線 建立和優選氧化鋯等材料的晶胞、團簇和缺陷模型建立和優選氧化鋯等材料的晶胞、團簇和缺陷模型空位和離子擴散的動力學計算空位和離子擴散的動力學

19、計算 對照實驗結果和理論結果對照實驗結果和理論結果指導確立最佳模型和添加劑指導確立最佳模型和添加劑氧化鋯相變機制綜合分析氧化鋯相變機制綜合分析1.統一統一ZrO2陶瓷陶瓷相變機制并建立其相變動力學數據相變機制并建立其相變動力學數據2.建立建立ZrO2復相陶瓷微觀結構與性能的關系復相陶瓷微觀結構與性能的關系調整所選取模型調整所選取模型不同添加劑對界面結合強度的影響計算不同添加劑對界面結合強度的影響計算典型試樣微觀檢測和力學性能測試典型試樣微觀檢測和力學性能測試山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微

20、觀結構及特性的理論研究五. 本課題的創新點 國內外尚無對氧化鋯相變機制開展系統的動力學研究。本課題首次對氧國內外尚無對氧化鋯相變機制開展系統的動力學研究。本課題首次對氧化鋯相變機制開展系統的動力學研究，從動力學上解釋其相變機制的內在化鋯相變機制開展系統的動力學研究，從動力學上解釋其相變機制的內在原因原因 從理論與實驗上首次對從理論與實驗上首次對Fe3Al增韌增強增韌增強ZrO2陶瓷的機制進行研究。陶瓷的機制進行研究。山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究六.課題可行性分析

21、1. 現階段進展現階段進展ZrO2晶胞晶胞(紅球氧，灰球鋯，下同紅球氧，灰球鋯，下同)ZrO2團簇團簇山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究六.課題可行性分析 1. 現階段進展現階段進展ZrO2（100）表面側看，頂部看）表面側看，頂部看山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究六.課題可行性分析1. 現階段進展現階段進展ZrO2晶胞（晶胞（110）表面）表面ZrO2晶胞（晶胞（111）表面）表面山東大學山東大學20012001級材料學博士研究生開題報告級材料學博士研究生開題報告陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究陶瓷基復合材料微觀結構及特性的理論研究六.課題可行性分析 1. 現階段進展現階段進展HF=-439.0725745RO1-Zr2=0.209 nm (0.219)RO3-Zr2=0.219 nmRO2-Zr3=0.207 nmRO2-Zr73=0.20