文献检索报告《晶须强化氧化铝陶瓷涂层的性能研究》

文献检索报告

课题名称：晶须强化氧化铝陶瓷

涂层的性能研究

姓名：

学号：

院系：

专业：动力工程及工程热物理任课教师：

2017年1月

1.本专业常用的数据库

专业：动力工程及工程热物理

数据库：

中文：维普、万方、CNKI、百度学术、中国专利数据库、中国科学引文数据库（CSCD）；

外文：ASME期刊、Begell House、Emerald工程学期刊、IEEE、SAGE Premier、Web of Science_SCI-EXPANDED、Engineering Village(EI)、INSPEC数据库（文摘）、Essential Science Indicators、Scopus、ScienceDirect

2.本课题需要检索的数据库：

2.1 课题分析

冲蚀磨损是机械设备中常见的一种失效形式。它是指液体或固体以松散的小颗粒按一定的速度或角度对材料表面进行冲击所造成的材料损耗过程，广泛存在于机械、冶金、能源、航空航天等多个工业领域。长期以来国内外很多学者都围绕如何减少冲蚀磨损、增强设备抗冲蚀性能这一问题开展了大量的研究，其中涂层技术获得了很大的发展，以耐高温、抗腐蚀且高硬度的氧化铝陶瓷涂层作为机械设备常用的一种涂层在航空发动机等大型设备中的过流部件上已经得到了非常广泛的应用，有效地增强了机械设备地抗冲蚀性能。

制备复合涂层可有效地增强氧化铝陶瓷涂层的各项性能。复合涂层是指Al2O3（氧化铝）材料和TiO2、Cr2O3、ZrO2等多种物质混合制备的涂层，可以有效强化涂层的性能。其中在Al2O3中加入SiC晶须（SiCw）制备复合涂层是目前的研究热点。细长的针状晶须强度高、韧性好，在拔出断裂时要消耗一定能量有利于组织裂纹的扩展，如果能够实现复合涂层中SiCw在垂直于层间界面方向上的定向排布，将大大增强涂层的层间结合强度。

本次检索目的是在理解SiC晶须增强氧化铝陶瓷涂层机理的基础上，了解常见的晶须强化复合涂层的性能检测方法。

2.2 需要检索的数据库

中文：维普、万方、CNKI、中国专利数据库

外文：SCI-EXPANDED、Engineering Village(EI)、Scopus

3. 检索策略及检索结果

课题名称：晶须强化氧化铝陶瓷涂层的性能研究（英文关键词：whisker，crystal whisker，

4.分析检索结果

4.1宏观分析：

数据库名称：scopus

4.1.3本研究领域发文最多的前5个研究机构的所有文献中，发文数量前3的作者是

4.2小结

基于以上检索结果分析，从宏观上对该领域研究概况作一介绍和分析总结。时间上来看，该领域发展较早；检索出的文献最早发表于1987年，可见该领域研究已经有数十年了。从近10年的发文量来看，该领域持续有成果发表，其中2006到2007、2011到2012年期间发文量较多，进步较大，近两年表现平平。根据发文量按学科方向的排名，该领域研究成果主要应用于材料、物理航天以及化工等方向。根据地区分析，我国发文量独占鳌头，远超世界其他国家，表明近来我国研究者在该领域的研究最为活跃，我国学术界不仅在该领域做了巨大投入，而且也取得了丰硕的研究成果；国内哈工大、哈理工以及哈工程等高校取得成果显著，此外，我国香港和台湾的研究机构也都在该领域有所投入，并拥有一定的影响力。哈工大费维栋教授、西安交通大学李长久教授等在该领域研究成果丰硕。除此之外，日本国家工业研究院的成果也值得关注。

5. 阅读总结

我选取后进行了仔细阅读的文献如下列：

[1] 周亚军,蒋爱云,刘建秀. 碳化硅晶须分散方法研究[J]. 铸造技术. 2013(07): 800-802.

[2] 舒杰. 电场作用下晶须强化涂层的制备及其性能的研究[D]. 华东理工大学, 2015.

[3] Thompson I. and Krstic V.D., Effect of carbon coating on mechanical strength of SiC whisker-reinforced alumina composites[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 1993.19(3): 61-67.

[4] Zhao H.X., Yabuki A., Matsumura M., et al. Slurry erosion properties of ceramic coatings[J]. Wear. 1999, 233-235: 608-614.

[5] Bolelli G., Lusvarghi L., et al. Comparison between plasma- and HVOF-sprayed ceramic coatings. Part I: microstructure and mechanical properties[J] International Journal of Surface Science and Engineering. 2007.1(1): 38-61.

文献[4]发表较早，文献[5]中参考了文献[4]的一般性结论；文献[2]在试验的工艺方案选取中参考了文献[1]的研究结果。

这几篇文献的研究重点涵盖了多个方面，概括地来说包含了理论、工艺、性能测试等。具体来看，这几篇文献的内容包括晶须强化陶瓷涂层中晶须定向排布的新方法、涂层制备过程中晶须的分散工艺、晶须强化陶瓷涂层中碳包覆的应用、陶瓷涂层抗冲蚀性能的测试方法以及不同喷涂工艺制备的陶瓷涂层的对比研究等。每篇文章的内容总结如下：文献[1]首先介绍了碳化硅晶须（SiCw）的晶体结构、物理形状、尺度大小以及强度和耐高温性等基本物理性质，概括了碳化硅晶须在多个工业领域的应用现状，然后说明晶须作为增强纤维材料在应用过程中存在易团聚缠绕、难分散均匀的问题，进而介绍该文的研究课题。作者在试验中分别以去离子水、无水乙醇为分散介质，以焦磷酸钠（SPP）、吐温80（Tween80）和硅烷偶联剂（KH550）为分散剂，配置三种不同的分散溶液，依次采取酸洗、超声震荡、磁力搅拌的方法，对晶须进行分散处理，并通过电镜观察，比较分散效果。结果表明：1% KH550-无水乙醇分散溶液分散效果较好；短时间的超声震荡和磁力搅拌，有助于SiCw在分散溶液中的分散[1]。阅读该文献使我了解了制备晶须强化陶瓷涂层的制粉工艺中需要尽可能使晶须分散均匀，且分散晶须操作有多种不同的方法，试验时可参考该作者的文章结论选择合适的工艺方案。

文献[2]指出等离子喷涂陶瓷涂层层间存在大面积未结合区域的问题，而制备晶须复合涂层并提高晶须在涂层中的定向排布率可以增加层间结合强度，进而可以有效增加氧化铝陶瓷涂层的各项力学性能，包括显微硬度、断裂韧性和抗冲蚀性能等。文章先主要介绍了晶须定向的研究现状（国内外已有多种方法实现晶须的定向排布，比如：Goto等人发现挤压成型可使晶须呈现出较好的一维定向排布、Matsui T等人采用流延法实现了晶须的定向排布、Suzuki等在浇铸成型过程中外加了磁场作用使得碳化硅晶须在氧化铝陶瓷中择优取向等[2]）以及晶须在复合涂层中的强韧化机理（主要有裂纹偏转、晶须桥连和晶须拔出等，如下图1.1所示[2]）；基于晶须的强韧化机理和晶须的高压极化原理，作者采用等离子喷涂技术制备了Al2O3/SiCw复合涂层，在喷涂过程中通过施加静电场作用，实现了SiCw在涂层中的定向排布。关于涂层性能的检测分析，作者利用SEM、XRD等手段观察分析了不同电场电压下制备的涂层的微观组织、元素分布和物相成分，利用维氏硬度计和抗冲蚀实验平台测定了各涂层的显微硬度、断裂韧性和抗冲蚀性能，研究了在电场作用下晶须定向对涂层性能的影响机理。

图1.1 SiCw三种主要的增韧机理：(a) 裂纹偏转(b) 裂纹桥连(c) 拔出效应

文献[3]研究了碳包覆对碳化硅晶须强化氧化铝复合涂层的机械强度的影响。文章指出，碳化硅晶须强化作用是使氧化铝基材料断裂韧性增加的实质性因素，其强化效果的大小依赖于晶须和基体的热膨胀率、弹性模量和两相界面性质的差异，这些差异会导致复合涂层内部

产生残余应力，而在晶须表面采用包覆层可以增强晶须的拔出机制，其机理包括降低晶须与基体的摩擦系数和新相引起的应力松弛等。作者的试验结果表明，碳包覆晶须复合涂层中晶须的拔出机制突出，涂层的断裂韧性更大[3]。

文献[4]用两种泥浆冲蚀测试器来对在脱硫机中酸性石膏粉灰浆环境下工作的泵叶轮上的陶瓷涂层进行有评估。两种测试器的试验结果通常一致，但并非总是相同的。文章阐述了两种测试存在差异的原因及其影响，并得出以下结论：（1）涂层的抗冲蚀性能是和等离子喷涂技术紧密相关的。在最佳条件下制备的陶瓷涂层，其抗冲蚀性能能达到金属基体（SUS329J1）的2倍；（2）维氏硬度（H v）是表征陶瓷涂层及陶瓷体抗冲蚀性能的一个有效参数；（3）对脱硫机中使用的泥浆泵最不利的是纯粉灰环境，因此，火电厂脱硫之前应尽可能地除去粉煤灰[4]。

文献[5]对大气等离子喷涂陶瓷涂层和高速氧燃料喷涂陶瓷涂层进行了对比研究。实际上该研究共有两部分并分为两篇文章，这是第一篇。该篇从微观结构和力学性质进行了研究，其另一篇文章则是对比研究了两种不同制备工艺制得涂层的摩擦学性能。作者采用两种工艺分别制备了陶瓷涂层试样，利用SEM观察了两种涂层的微观结构并通过对扫描电竞图片的处理进行了对比分析；利用维氏显微硬度计测试了两种涂层的显微硬度值。然后作者结合两种涂层微观结构的差异对硬度测试的试验结果进行了分析解释。结果显示，高速氧燃料喷涂陶瓷涂层的孔隙率和平均孔面积小于大气等离子喷涂制备的陶瓷涂层；高速氧燃料喷涂陶瓷涂层的内聚力更大，即涂层结合强度更大。两种涂层的硬度差异受尺度效应的影响，1N在载荷下测试，高速氧燃料喷涂陶瓷涂层的显微硬度更大，而当在5N和10N载荷下测试时，高速氧燃料喷涂陶瓷涂层的硬度逐渐减小，大气等离子喷涂陶瓷涂层在5N载荷下即产生较大裂纹；此外，高速氧燃料喷涂陶瓷涂层的韧性和弹性模量均大于大气等离子喷涂制备的陶瓷涂层[5]。

参考文献：

[1] 周亚军,蒋爱云,刘建秀. 碳化硅晶须分散方法研究[J]. 铸造技术. 2013(07): 800-802.

[2] 舒杰. 电场作用下晶须强化涂层的制备及其性能的研究[D]. 华东理工大学, 2015.

[3] Thompson I. and Krstic V.D., Effect of carbon coating on mechanical strength of SiC whisker-reinforced alumina composites[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 1993.19(3): 61-67.

[4] Zhao H.X., Yabuki A., Matsumura M., et al. Slurry erosion properties of ceramic coatings[J]. Wear. 1999, 233-235: 608-614.

[5] Bolelli G., Lusvarghi L., et al. Comparison between plasma- and HVOF-sprayed ceramic coatings. Part I: microstructure and mechanical properties[J] International Journal of Surface Science and Engineering. 2007.1(1): 38-61.