山東大學(xué)2001級(jí)博士研究生開題報(bào)告

1、博士生：博士生： 陳守剛陳守剛 導(dǎo)導(dǎo) 師：師： 尹衍升尹衍升 教授教授陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究1. 選題背景 2.研究現(xiàn)狀3.研究方法和研究內(nèi)容4. 技術(shù)路線5. 創(chuàng)新點(diǎn)6. 可行性 分析7. 論文進(jìn)展安排陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)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陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究一一. 選題背景選題背景陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究一一. . 選題背景選題背

2、景 陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)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陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究二. 復(fù)合材料的理論研究現(xiàn)狀1.復(fù)合材料界面增強(qiáng)增韌的理論研究復(fù)合材料界面增強(qiáng)增韌的理論研究表面包覆材料界面結(jié)合強(qiáng)度的理論預(yù)測表面包覆材料界面結(jié)合強(qiáng)度的理論預(yù)測 張等人利用張等人利用DFT(B3lyp)方法，詳細(xì)研究了方法，詳細(xì)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(dòng)）表面的包覆。微觀動(dòng)力學(xué)研究表明：力學(xué)研究表明：Al-N鍵結(jié)合要強(qiáng)于鍵結(jié)合要強(qiáng)于

3、Al-B鍵，從而鍵，從而推測認(rèn)為對(duì)推測認(rèn)為對(duì)N在在Al(001)面的優(yōu)先吸附對(duì)生成面的優(yōu)先吸附對(duì)生成C-BN相是有利的，對(duì)相是有利的，對(duì)Al(001)面預(yù)先氮化處理有助面預(yù)先氮化處理有助于于C-BN在鋁基體的吸附在鋁基體的吸附.陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究二. 研究現(xiàn)狀1.復(fù)合材料界面增強(qiáng)增韌的理論研究復(fù)合材料界面增強(qiáng)增韌的理論研究復(fù)合材料界面能的預(yù)測復(fù)合材料界面能的預(yù)測 BABAadW 分別計(jì)算兩種材料表面的能量及形成復(fù)合界面分別計(jì)算兩種材料表面的能量及形成復(fù)合界面的能量，獲得吸附能預(yù)測材料表面的結(jié)合能。的能量，獲得吸附能預(yù)測材料表面的結(jié)合能。

4、 ABBAadWWWW陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究二. 研究現(xiàn)狀1.復(fù)合材料界面增強(qiáng)增韌的理論研究復(fù)合材料界面增強(qiáng)增韌的理論研究陶瓷材料間韌化機(jī)制的簡單模型陶瓷材料間韌化機(jī)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，方法，在氮化硅（在氮化硅（Si3N4）和氧化鋁）和氧化鋁(Al2O3)復(fù)合材料復(fù)合材料的燒結(jié)性能研究中，以偶合四面體團(tuán)簇模型的燒結(jié)性能研究中，以偶合四面體團(tuán)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（ ）的界面各種組分變化的相）的界面各種組分變化的相對(duì)穩(wěn)

5、定能（鍵能）。計(jì)算結(jié)果認(rèn)為，在對(duì)穩(wěn)定能（鍵能）。計(jì)算結(jié)果認(rèn)為，在Si3N4基基體上優(yōu)先形成體上優(yōu)先形成Al-N鍵，鋁原子的優(yōu)先占位促進(jìn)了鍵，鋁原子的優(yōu)先占位促進(jìn)了SiAlON的指數(shù)增長，交叉網(wǎng)絡(luò)鍵模型促進(jìn)了界面的指數(shù)增長，交叉網(wǎng)絡(luò)鍵模型促進(jìn)了界面的強(qiáng)化。的強(qiáng)化。ZZZZNOAlSi86陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究二二. . 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀2. 氧化鋯相變機(jī)制的研究氧化鋯相變機(jī)制的研究表面化學(xué)理論表面化學(xué)理論應(yīng)力腐蝕理論應(yīng)力腐蝕理論 陽離子陽離子-空位擴(kuò)散理論空位擴(kuò)散理論 陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研

6、究二. 氧化鋯陶瓷的研究現(xiàn)狀1. 相變機(jī)制的研究相變機(jī)制的研究表面化學(xué)理論表面化學(xué)理論應(yīng)力腐蝕理論應(yīng)力腐蝕理論 陽離子陽離子-空位擴(kuò)散理論空位擴(kuò)散理論 1 lang認(rèn)為由于認(rèn)為由于Y3+從內(nèi)部向表面擴(kuò)散與吸附水分子從內(nèi)部向表面擴(kuò)散與吸附水分子反應(yīng)形成反應(yīng)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相形相形核的有利位置，使相變從表面向內(nèi)發(fā)展；核的有利位置，使相變從表面向內(nèi)發(fā)展； 2 Schubert認(rèn)為認(rèn)為Y3+不可能從內(nèi)部向表面擴(kuò)散，而不可能從內(nèi)部向表面擴(kuò)散，而是吸附的水從點(diǎn)陣中向內(nèi)擴(kuò)散。是吸附的水從點(diǎn)陣中向內(nèi)擴(kuò)散。 3 Yoshimara任為任為Y(OH)3晶體的形成是

7、不可能的，晶體的形成是不可能的，而是水在表面吸附解離形成而是水在表面吸附解離形成Zr-OH或或Y-OH導(dǎo)致應(yīng)力集導(dǎo)致應(yīng)力集中發(fā)生相變中發(fā)生相變?nèi)毕荩罕砻婊瘜W(xué)理論的提出，基于水提高缺陷：表面化學(xué)理論的提出，基于水提高t-M相變速相變速率，但不能解釋惰性氣氛中時(shí)效試樣。率，但不能解釋惰性氣氛中時(shí)效試樣。陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究二. 氧化鋯陶瓷的研究現(xiàn)狀2. 相變機(jī)制的研究相變機(jī)制的研究表面化學(xué)理論表面化學(xué)理論應(yīng)力腐蝕理論應(yīng)力腐蝕理論 陽離子陽離子-空位擴(kuò)散理論空位擴(kuò)散理論 Schumauder等人認(rèn)為時(shí)效過程并不單獨(dú)由水的表面等人認(rèn)為時(shí)效過程并不

8、單獨(dú)由水的表面化學(xué)吸附造成，而是由化學(xué)吸附造成，而是由Y2O3在缺陷表面或在在缺陷表面或在t相晶粒相晶粒內(nèi)不均勻分布造成的不均勻應(yīng)力和水共同作用結(jié)果。內(nèi)不均勻分布造成的不均勻應(yīng)力和水共同作用結(jié)果。陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究二. 氧化鋯陶瓷的研究現(xiàn)狀2. 相變機(jī)制的研究相變機(jī)制的研究表面化學(xué)理論表面化學(xué)理論應(yīng)力腐蝕理論應(yīng)力腐蝕理論 陽離子陽離子-空位擴(kuò)散理論空位擴(kuò)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相變是一種受氧相變是一種受氧離子短程擴(kuò)散控制的類貝氏體相變。離子短程擴(kuò)散控制的類貝氏體相變。2

9、國內(nèi)許祖耀、路新瀛等人認(rèn)為國內(nèi)許祖耀、路新瀛等人認(rèn)為CeO2-ZrO2的等溫相變是受氧擴(kuò)散的等溫相變是受氧擴(kuò)散控制的貝氏相變，氧空位濃度的增加或減少都會(huì)導(dǎo)致控制的貝氏相變，氧空位濃度的增加或減少都會(huì)導(dǎo)致t-m相變。相變。3 鄭秀華研究認(rèn)為相變過程不僅存在氧離子鄭秀華研究認(rèn)為相變過程不僅存在氧離子-空位擴(kuò)散，而且還可能空位擴(kuò)散，而且還可能有陽離子有陽離子-空位擴(kuò)散，摻雜導(dǎo)致空位擴(kuò)散，摻雜導(dǎo)致Zr-O配位層中空位數(shù)目的減少，從而配位層中空位數(shù)目的減少，從而降低了四方相的穩(wěn)定性。降低了四方相的穩(wěn)定性。4 最近羅曼光譜對(duì)氧化鋯表面吸附最近羅曼光譜對(duì)氧化鋯表面吸附SO42-和和Y2O3穩(wěn)定的氧化鋯研究穩(wěn)

10、定的氧化鋯研究表明，表明，t-m相變開始于表面并逐漸到體內(nèi)，相變開始于表面并逐漸到體內(nèi)，SO42-表面酸化的氧化表面酸化的氧化鋯在鋯在600度還幾乎沒發(fā)生相變，度還幾乎沒發(fā)生相變，Y2O3穩(wěn)定的氧化鋯在穩(wěn)定的氧化鋯在800度盡管表度盡管表面發(fā)生了相變，但體內(nèi)氧化鋯體內(nèi)仍保持四方相。面發(fā)生了相變，但體內(nèi)氧化鋯體內(nèi)仍保持四方相。 陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究二. 研究現(xiàn)狀3 .存在問題存在問題 陶瓷材料的界面的研究側(cè)重于金屬與陶瓷材料的表陶瓷材料的界面的研究側(cè)重于金屬與陶瓷材料的表面，而對(duì)陶瓷材料與陶瓷材料和陶瓷材料與金屬間面，而對(duì)陶瓷材料與陶瓷材料

11、和陶瓷材料與金屬間化合物的微觀理論研究較少，對(duì)它們界面結(jié)合的擇化合物的微觀理論研究較少，對(duì)它們界面結(jié)合的擇優(yōu)取向和成分變化影響的理論研究還罕見報(bào)道。優(yōu)取向和成分變化影響的理論研究還罕見報(bào)道。 對(duì)氧化鋯基陶瓷材料的相變規(guī)律缺乏統(tǒng)一的理論指導(dǎo)，對(duì)氧化鋯基陶瓷材料的相變規(guī)律缺乏統(tǒng)一的理論指導(dǎo)，相變機(jī)制的研究主要集中于相變機(jī)制的研究主要集中于Y2O3-ZrO2體系，而對(duì)體系，而對(duì)CeO2、MgO、CaO的研究相對(duì)較少特別是陰離子的研究相對(duì)較少特別是陰離子N、C粒子摻雜影響則更少，有關(guān)的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)少而不完善，粒子摻雜影響則更少，有關(guān)的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)少而不完善，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)氧化鋯等溫相變機(jī)制還存在矛盾而且實(shí)

12、驗(yàn)結(jié)果對(duì)氧化鋯等溫相變機(jī)制還存在矛盾。陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究三. 研究內(nèi)容和方法 1.建立合適模型建立合適模型 2.計(jì)算計(jì)算 3.對(duì)照實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果對(duì)照實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果1建立并優(yōu)選氧化鋯及其它材料晶胞、表面建立并優(yōu)選氧化鋯及其它材料晶胞、表面 （100）、（）、（110）和（）和（111） 和團(tuán)簇和團(tuán)簇（Cluster）的模型）的模型3建立氧化鋯（建立氧化鋯（100）、（）、（110）和（）和（111）表面和各種晶胞的空位（氧空位）和摻雜（氧表面和各種晶胞的空位（氧空位）和摻雜（氧離子置換鋯離子，氮原子置換氧離子造成空位，離子置換鋯離子，氮原

13、子置換氧離子造成空位，碳原子占據(jù)間隙位）碳原子占據(jù)間隙位） 陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究三. 研究內(nèi)容和方法 1.建立合適模型建立合適模型 2.計(jì)算計(jì)算 3.對(duì)照實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果對(duì)照實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果 1. 計(jì)算時(shí)以空位為中心選取不同的氧原子計(jì)算時(shí)以空位為中心選取不同的氧原子-空位擴(kuò)空位擴(kuò)散途徑，對(duì)所選取的模型考慮不同陽離子置換和陰散途徑，對(duì)所選取的模型考慮不同陽離子置換和陰離子置換進(jìn)行靜態(tài)勢能面掃描和單點(diǎn)能計(jì)算，結(jié)合離子置換進(jìn)行靜態(tài)勢能面掃描和單點(diǎn)能計(jì)算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)得到吸附擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)得到吸附擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，

14、探明影響氧化鋯相變的規(guī)律。析，探明影響氧化鋯相變的規(guī)律。 2. 計(jì)算優(yōu)選的各種材料的穩(wěn)定團(tuán)簇，使用半經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算優(yōu)選的各種材料的穩(wěn)定團(tuán)簇，使用半經(jīng)驗(yàn)、密度泛函和動(dòng)力學(xué)方法以優(yōu)選的團(tuán)簇復(fù)合研究氧化密度泛函和動(dòng)力學(xué)方法以優(yōu)選的團(tuán)簇復(fù)合研究氧化鋯增強(qiáng)增韌金屬，氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和金鋯增強(qiáng)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(yōu)結(jié)合的吸附能進(jìn)行理論屬間化合物不同表面的擇優(yōu)結(jié)合的吸附能進(jìn)行理論定性預(yù)測，考慮不同添加劑和成分對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度定性預(yù)測，考慮不同添加劑和成分對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響的影響,對(duì)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行理論指導(dǎo)。對(duì)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行理論指導(dǎo)。陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究

15、陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究三. 研究內(nèi)容和方法 1.建立合適模型建立合適模型 2.計(jì)算計(jì)算 3.對(duì)照實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果對(duì)照實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果3. 利用高分辨電子顯微鏡（利用高分辨電子顯微鏡（HREM)、電、電子衍射、中子散射、子衍射、中子散射、x射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS）對(duì)典型試樣晶界原子排列方式、鍵合形式、對(duì)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(tài)進(jìn)配位方式、摻雜原子偏聚以及缺陷的組態(tài)進(jìn)行直接的觀察和分析，結(jié)合理論結(jié)果建立行直接的觀察和分析，結(jié)合理論結(jié)果建立ZrO2納米陶瓷微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系模納米陶瓷微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系模型。型。陶

16、瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究四. 技術(shù)路線 建立和優(yōu)選氧化鋯等材料的晶胞、團(tuán)簇和缺陷模型建立和優(yōu)選氧化鋯等材料的晶胞、團(tuán)簇和缺陷模型空位和離子擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)計(jì)算空位和離子擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)計(jì)算 對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論結(jié)果指導(dǎo)確立最佳模型和添加指導(dǎo)確立最佳模型和添加劑劑氧化鋯相變機(jī)制綜合分析氧化鋯相變機(jī)制綜合分析1.統(tǒng)一統(tǒng)一ZrO2陶瓷陶瓷相變機(jī)制并建立其相變動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)相變機(jī)制并建立其相變動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)2.建立建立ZrO2復(fù)相陶瓷微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系復(fù)相陶瓷微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系調(diào)整所選取模型調(diào)整所選取模型不同添加劑對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響計(jì)算不同添

17、加劑對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響計(jì)算典型試樣微觀檢測和力學(xué)性能測試典型試樣微觀檢測和力學(xué)性能測試陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究五. 本課題的創(chuàng)新點(diǎn) 國內(nèi)外尚無對(duì)氧化鋯相變機(jī)制開展系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研國內(nèi)外尚無對(duì)氧化鋯相變機(jī)制開展系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究。本課題首次對(duì)氧化鋯相變機(jī)制開展系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究。本課題首次對(duì)氧化鋯相變機(jī)制開展系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)研究，從動(dòng)力學(xué)上解釋其相變機(jī)制的內(nèi)在原因究，從動(dòng)力學(xué)上解釋其相變機(jī)制的內(nèi)在原因 從理論與實(shí)驗(yàn)上首次對(duì)從理論與實(shí)驗(yàn)上首次對(duì)Fe3Al增韌增強(qiáng)增韌增強(qiáng)ZrO2陶瓷的陶瓷的機(jī)制進(jìn)行研究。機(jī)制進(jìn)行研究。陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究

18、陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究六.課題可行性分析 1. 現(xiàn)階段進(jìn)展現(xiàn)階段進(jìn)展ZrO2晶胞晶胞(紅球氧，灰球鋯，下同紅球氧，灰球鋯，下同)ZrO2團(tuán)簇團(tuán)簇陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究六.課題可行性分析 1. 現(xiàn)階段進(jìn)展現(xiàn)階段進(jìn)展ZrO2（100）表面?zhèn)瓤矗敳靠矗┍砻鎮(zhèn)瓤?，頂部看陶瓷基?fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究六.課題可行性分析1. 現(xiàn)階段進(jìn)展現(xiàn)階段進(jìn)展ZrO2晶胞（晶胞（110）表面）表面ZrO2晶胞（晶胞（111）表面）表面陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究陶瓷基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及特性的理論研究六.課題可行性分析 1. 現(xiàn)階段進(jìn)展現(xiàn)階段進(jìn)展HF=-439.0725745RO1-Zr2=0.209 nm (0.219)RO3-Zr2=0.219 nmRO2-Zr3=0.207 nmRO2-Zr73=0.206 nmRZr2-Zr3=0.341 nm (