1、材料学材料学博士生：博士生：陈陈XXXX 导导 师：师：XXXX教授教授材料学材料学陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究1.选题背景 2.研究现状3.研究方法和研究内容4.技术路线5.创新点6.可行性 分析7.论文进展安排陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究一一.选题背景选题背景课题的提出意义及来源课题的提出意义及来源陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究一一.选题背景选题背景陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究一一.选题背景选题背景 陶
2、瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究一.选题背景 3.3.课题的提出意义及来源课题的提出意义及来源陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究二.复合材料的理论研究现状1.复合材料界面增强增韧的理论研究复合材料界面增强增韧的理论研究表面包覆材料界面结合强度的理论预测表面包覆材料界面结合强度的理论预测 张等人利用张等人利用DFT(B3lyp)方法，详细研究了方法，详细研究了BN超硬材料在其金属（超硬材料在其金属（Al）表面的包覆。微观动）表面的包覆。微观动力学研究表明：力学研究表明：Al-N键结合要强于键结合要强于Al-B键，
3、从而键，从而推测认为对推测认为对N在在Al(001)面的优先吸附对生成面的优先吸附对生成C-BN相是有利的，对相是有利的，对Al(001)面预先氮化处理有助面预先氮化处理有助于于C-BN在铝基体的吸附在铝基体的吸附.陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究二.研究现状1.复合材料界面增强增韧的理论研究复合材料界面增强增韧的理论研究复合材料界面能的预测复合材料界面能的预测 BABAadW 分别计算两种材料表面的能量及形成复合界面分别计算两种材料表面的能量及形成复合界面的能量，获得吸附能预测材料表面的结合能。的能量，获得吸附能预测材料表面的结合能。ABBAadW
4、WWW陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究二.研究现状1.复合材料界面增强增韧的理论研究复合材料界面增强增韧的理论研究陶瓷材料间韧化机制的简单模型陶瓷材料间韧化机制的简单模型 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）和氧化铝）和氧化铝(Al2O3)复合材料复合材料的烧结性能研究中，以偶合四面体团簇模型的烧结性能研究中，以偶合四面体团簇模型(右图右图)研究了基体相研究了基体相(Si3N4)与形成的玻璃相与形成的玻璃相（）的界面各种组分变化的相）的界面各种组分变化的相对稳定能（键能）。计算结
5、果认为，在对稳定能（键能）。计算结果认为，在Si3N4基基体上优先形成体上优先形成Al-N键，铝原子的优先占位促进了键，铝原子的优先占位促进了SiAlON的指数增长，交叉网络键模型促进了界面的指数增长，交叉网络键模型促进了界面的强化。的强化。ZZZZNOAlSi86陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究二二.研究现状研究现状2.氧化锆相变机制的研究氧化锆相变机制的研究表面化学理论表面化学理论应力腐蚀理论应力腐蚀理论 阳离子阳离子-空位扩散理论空位扩散理论 陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究二.氧化锆陶瓷的研究现状1
6、.相变机制的研究相变机制的研究表面化学理论表面化学理论应力腐蚀理论应力腐蚀理论 阳离子阳离子-空位扩散理论空位扩散理论 1 lang认为由于认为由于Y3+从内部向表面扩散与吸附水分子从内部向表面扩散与吸附水分子反应形成反应形成Y(OH)3,在在Y2O3含量低的地方成为含量低的地方成为m相形相形核的有利位置，使相变从表面向内发展；核的有利位置，使相变从表面向内发展；2 Schubert认为认为Y3+不可能从内部向表面扩散，而不可能从内部向表面扩散，而是吸附的水从点阵中向内扩散。是吸附的水从点阵中向内扩散。3 Yoshimara任为任为Y(OH)3晶体的形成是不可能的，晶体的形成是不可能的，而是水
7、在表面吸附解离形成而是水在表面吸附解离形成Zr-OH或或Y-OH导致应力集导致应力集中发生相变中发生相变缺陷：表面化学理论的提出，基于水提高缺陷：表面化学理论的提出，基于水提高t-M相变速相变速率，但不能解释惰性气氛中时效试样。率，但不能解释惰性气氛中时效试样。陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究二.氧化锆陶瓷的研究现状2.相变机制的研究相变机制的研究表面化学理论表面化学理论应力腐蚀理论应力腐蚀理论 阳离子阳离子-空位扩散理论空位扩散理论 Schumauder等人认为时效过程并不单独由水的表面等人认为时效过程并不单独由水的表面化学吸附造成，而是由化学吸附
8、造成，而是由Y2O3在缺陷表面或在在缺陷表面或在t相晶粒相晶粒内不均匀分布造成的不均匀应力和水共同作用结果。内不均匀分布造成的不均匀应力和水共同作用结果。陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究二.氧化锆陶瓷的研究现状2.相变机制的研究相变机制的研究表面化学理论表面化学理论应力腐蚀理论应力腐蚀理论 阳离子阳离子-空位扩散理论空位扩散理论 1 Nakanishi等人首先提出等人首先提出Y2O3-ZrO2陶瓷中陶瓷中t-m相变是一种受氧相变是一种受氧离子短程扩散控制的类贝氏体相变。离子短程扩散控制的类贝氏体相变。2 国内许祖耀、路新瀛等人认为国内许祖耀、路新瀛等
9、人认为CeO2-ZrO2的等温相变是受氧扩散的等温相变是受氧扩散控制的贝氏相变，氧空位浓度的增加或减少都会导致控制的贝氏相变，氧空位浓度的增加或减少都会导致t-m相变。相变。3 郑秀华研究认为相变过程不仅存在氧离子郑秀华研究认为相变过程不仅存在氧离子-空位扩散，而且还可能空位扩散，而且还可能有阳离子有阳离子-空位扩散，掺杂导致空位扩散，掺杂导致Zr-O配位层中空位数目的减少，从而配位层中空位数目的减少，从而降低了四方相的稳定性。降低了四方相的稳定性。4 最近罗曼光谱对氧化锆表面吸附最近罗曼光谱对氧化锆表面吸附SO42-和和Y2O3稳定的氧化锆研究稳定的氧化锆研究表明，表明，t-m相变开始于表面
10、并逐渐到体内，相变开始于表面并逐渐到体内，SO42-表面酸化的氧化表面酸化的氧化锆在锆在600度还几乎没发生相变，度还几乎没发生相变，Y2O3稳定的氧化锆在稳定的氧化锆在800度尽管表度尽管表面发生了相变，但体内氧化锆体内仍保持四方相。面发生了相变，但体内氧化锆体内仍保持四方相。陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究二.研究现状3.存在问题存在问题 陶瓷材料的界面的研究侧重于金属与陶瓷材料的表陶瓷材料的界面的研究侧重于金属与陶瓷材料的表面，而对陶瓷材料与陶瓷材料和陶瓷材料与金属间面，而对陶瓷材料与陶瓷材料和陶瓷材料与金属间化合物的微观理论研究较少，对它们界
11、面结合的择化合物的微观理论研究较少，对它们界面结合的择优取向和成分变化影响的理论研究还罕见报道。优取向和成分变化影响的理论研究还罕见报道。对氧化锆基陶瓷材料的相变规律缺乏统一的理论指导，对氧化锆基陶瓷材料的相变规律缺乏统一的理论指导，相变机制的研究主要集中于相变机制的研究主要集中于Y2O3-ZrO2体系，而对体系，而对CeO2、MgO、CaO的研究相对较少特别是阴离子的研究相对较少特别是阴离子N、C粒子掺杂影响则更少，有关的动力学数据少而不完善，粒子掺杂影响则更少，有关的动力学数据少而不完善，而且实验结果对氧化锆等温相变机制还存在矛盾而且实验结果对氧化锆等温相变机制还存在矛盾。陶瓷基复合材料微
12、观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究三.研究内容和方法 1.建立合适模型建立合适模型 2.计算计算 3.对照实验和理论结果对照实验和理论结果1建立并优选氧化锆及其它材料晶胞、表面建立并优选氧化锆及其它材料晶胞、表面（100）、（）、（110）和（）和（111）和团簇和团簇（Cluster）的模型）的模型3建立氧化锆（建立氧化锆（100）、（）、（110）和（）和（111）表面和各种晶胞的空位（氧空位）和掺杂（氧表面和各种晶胞的空位（氧空位）和掺杂（氧离子置换锆离子，氮原子置换氧离子造成空位，离子置换锆离子，氮原子置换氧离子造成空位，碳原子占据间隙位）碳原子占据间隙位）陶
13、瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究三.研究内容和方法 1.建立合适模型建立合适模型 2.计算计算 3.对照实验和理论结果对照实验和理论结果 1.计算时以空位为中心选取不同的氧原子计算时以空位为中心选取不同的氧原子-空位扩空位扩散途径，对所选取的模型考虑不同阳离子置换和阴散途径，对所选取的模型考虑不同阳离子置换和阴离子置换进行静态势能面扫描和单点能计算，结合离子置换进行静态势能面扫描和单点能计算，结合实验结果，对得到吸附扩散动力学数据进行系统分实验结果，对得到吸附扩散动力学数据进行系统分析，探明影响氧化锆相变的规律。析，探明影响氧化锆相变的规律。2.计算优
14、选的各种材料的稳定团簇，使用半经验、计算优选的各种材料的稳定团簇，使用半经验、密度泛函和动力学方法以优选的团簇复合研究氧化密度泛函和动力学方法以优选的团簇复合研究氧化锆增强增韧金属，氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和金锆增强增韧金属，氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和金属间化合物不同表面的择优结合的吸附能进行理论属间化合物不同表面的择优结合的吸附能进行理论定性预测，考虑不同添加剂和成分对界面结合强度定性预测，考虑不同添加剂和成分对界面结合强度的影响的影响,对实验操作进行理论指导。对实验操作进行理论指导。陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究三.研究内容和方法 1.建立合适
15、模型建立合适模型 2.计算计算 3.对照实验和理论结果对照实验和理论结果3.利用高分辨电子显微镜（利用高分辨电子显微镜（HREM)、电、电子衍射、中子散射、子衍射、中子散射、x射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS）对典型试样晶界原子排列方式、键合形式、对典型试样晶界原子排列方式、键合形式、配位方式、掺杂原子偏聚以及缺陷的组态进配位方式、掺杂原子偏聚以及缺陷的组态进行直接的观察和分析，结合理论结果建立行直接的观察和分析，结合理论结果建立ZrO2纳米陶瓷微观结构与性能之间的关系模纳米陶瓷微观结构与性能之间的关系模型。型。陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究
16、四.技术路线 建立和优选氧化锆等材料的晶胞、团簇和缺陷模型建立和优选氧化锆等材料的晶胞、团簇和缺陷模型空位和离子扩散的动力学计算空位和离子扩散的动力学计算 对照实验结果和理论结果对照实验结果和理论结果指导确立最佳模型和添加指导确立最佳模型和添加剂剂氧化锆相变机制综合分析氧化锆相变机制综合分析1.统一统一ZrO2陶瓷陶瓷相变机制并建立其相变动力学数据相变机制并建立其相变动力学数据2.建立建立ZrO2复相陶瓷微观结构与性能的关系复相陶瓷微观结构与性能的关系调整所选取模型调整所选取模型不同添加剂对界面结合强度的影响计算不同添加剂对界面结合强度的影响计算典型试样微观检测和力学性能测试典型试样微观检测和
17、力学性能测试陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究五.本课题的创新点 国内外尚无对氧化锆相变机制开展系统的动力学研国内外尚无对氧化锆相变机制开展系统的动力学研究。本课题首次对氧化锆相变机制开展系统的动力学研究。本课题首次对氧化锆相变机制开展系统的动力学研究，从动力学上解释其相变机制的内在原因究，从动力学上解释其相变机制的内在原因 从理论与实验上首次对从理论与实验上首次对Fe3Al增韧增强增韧增强ZrO2陶瓷的陶瓷的机制进行研究。机制进行研究。陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究六.课题可行性分析 1.现阶段进展现阶段
18、进展ZrO2晶胞晶胞(红球氧，灰球锆，下同红球氧，灰球锆，下同)ZrO2团簇团簇陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究六.课题可行性分析 1.现阶段进展现阶段进展ZrO2（100）表面侧看，顶部看）表面侧看，顶部看陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究六.课题可行性分析1.现阶段进展现阶段进展ZrO2晶胞（晶胞（110）表面）表面ZrO2晶胞（晶胞（111）表面）表面陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究六.课题可行性分析 1.现阶段进展现阶段进展HF=-439.0725745RO
19、1-Zr2=0.209 nm (0.219)RO3-Zr2=0.219 nmRO2-Zr3=0.207 nmRO2-Zr73=0.206 nmRZr2-Zr3=0.341 nm (0.359)RO-Zr=0.214 nm (0.219)RZr-Zr=0.283 nm (0.359)陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究六.课题可行性分析 2.现在拥有一台高配置的计算机和计算所需的相关软件现在拥有一台高配置的计算机和计算所需的相关软件（Gaussian 98,Hyperchem,Mopac）.3.本实验室可以提供相关的实验结果和样品的微观界面本实验室可以提供
20、相关的实验结果和样品的微观界面分析，相关研究经验可以借鉴分析，相关研究经验可以借鉴.4.导师具有扎实的理论基础，使用导师具有扎实的理论基础，使用EET理论作过大量理论作过大量 的理论研究的理论研究.陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究陶瓷基复合材料微观结构及特性的理论研究七七.课题研究进度安排课题研究进度安排 2019.112019.12 优选模型优选模型,熟悉计算操作熟悉计算操作 2020.012020.04 对氧化锆相变机制模拟计算对氧化锆相变机制模拟计算 2021.052021.11 结合实验结果计算分析不同添加结合实验结果计算分析不同添加剂对剂对ZrO2陶陶 瓷的增韧增强的机理瓷的增韧增强的机理 2022.122022.04 典型试样检测、验证理论结果、典型试样检测、验证理论结果、增补计算、论文撰写增补计算、论文撰写 2023.05 2023.06 准备论文答辩准备论文答辩
