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《大连理工大学》 2004年
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金属—碳化硅陶瓷基复合材料性能研究

张珂  
【摘要】:本文以SiC陶瓷材料为基础,首先通过添加3vol%不锈钢颗粒制备不锈钢—SiC陶瓷基复合材料,来确定添加剂以及涂层材料的最佳用量。然后以此量为基准,分别添加1vol%、5vol%和7vol%的不锈钢颗粒制成不锈钢—SiC陶瓷基复合材料:加入1vol%、3vol%以及5vol%的金属钨颗粒制成W—SiC陶瓷基复合材料;用1vol%、3vol%、5vol%、7vol%、9vol%、11vol%、13vol%以及15vol%的金属钛颗粒制成Ti—SiC陶瓷基复合材料;以及用1vol%、3vol%、5vol%、7vol%、9vol%和11vol%的金属锰粉制成Mn—SiC陶瓷基复合材料。 采用万能试验机和TC—Ⅱ闪光法热导仪分别测量了各金属—SiC陶瓷基复合材料的力学性能和导热性能;用X—射线衍射分析(XRD)和扫描电镜(SEM)研究了各金属—SiC陶瓷基复合材料的显微结构特征;讨论了影响金属—SiC陶瓷基复合材料烧结性能的各种因素;结果表明: 含3vol%不锈钢颗粒的不锈钢—SiC陶瓷基复合材料中,加入3wt%添加剂和18wt%的涂层材料时,复合材料相对密度最高,致密性最好,抗折强度最好。在固定最佳添加剂和涂层材料数量的基础上,随着金属颗粒体积含量的增加,复合材料的相对体积密度增大(含钨的除外)。但金属含量超过一定量后,相对密度有下降的趋势,分别是:不锈钢>5vol%,钛>11vol%,锰>7vol%。 随着金属颗粒体积含量的增加,金属—SiC陶瓷基复合材料的抗折强度、断裂韧性和热导率都有明显的增加。与相同条件烧结的SiC陶瓷相比较,添加不同金属的SiC陶瓷基复合材料的抗折强度相对增幅分别为:不锈钢为2.02倍、钨1.65倍、钛2.44倍和锰2.17倍;断裂韧性相对增幅分别为:不锈钢1.54倍、钨1.59倍、钛1.86倍和锰1.84倍;热导率(5vol%金属)相对增幅:钨、钛、不锈钢和锰的复合材料分别为5.92、5.78、5.09和2.97倍,而含13vol%钛的复合材料则提高了6.97倍。表明金属在SiC陶瓷中有非常明显的增强增韧作用,同时大大提高其热导率。 在含有不同金属的SiC陶瓷基复合材料中分别有新相生成;添加不锈钢、W、Ti和Mn的复合材料中分别对应有莫来石相、高温碳化钨相、高温碳化钛相和低熔点Al_(74)Si_6Mn_(20)相生成。这些新相的生成使复合材料的显微结构致密,增强金属与SiC颗粒间的结合力。 在以上实验的基础上,结合残余应力增韧、颗粒延性增韧和经典断裂力学理论,探索了金属—SiC陶瓷基复合材料的增韧机理。以含不锈钢的复合材料为基础,提出金属—SiC陶瓷基复合材料断裂韧性的理论公式:把Mn—SiC陶瓷基复合材料和Ti-SiC陶瓷基复合材料的实验数据代入此式后,经拟合的理论曲线与实验值比较,两者有大体相同的变化趋势。说明此理论公式能较好的解决此类金属—SiC陶瓷基复合材料的断裂韧性问题。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TB333

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