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基于SiC/ZrO_2协同作用的MoSi_2改性技术研究

艾云龙  
【摘要】: MoSi2是一种金属间化合物,它具有较高的熔点、较低的密度和良好的高温抗氧化性,作为高温结构材料和室温摩擦材料在航空和汽车领域有着广泛的应用前景。但MoSi2室温脆性高而高温强度低,成为其实用化的主要障碍。本文为了提高MoSi2的综合性能,基于纳米改性技术,提出了采用纳米SiC/ZrO2颗粒、SiC晶须/ZrO2纳米颗粒协同复合MoSi2陶瓷的构想,从制备工艺、组织结构、力学性能等方面开展深入系统的探讨,为MoSi2基复合材料在结构材料中的应用奠定基础。 本文完成的主要工作和取得的成果如下: 1.利用多相悬浮液混合法制备了SiC/ZrO2-MoSi2复合粉体,发现以聚乙二醇为分散剂、水为分散介质,并利用超声振荡分散以及SiC晶须通过调节乙醇悬浮液的pH值,可获得各相分布均匀的SiC(W)/ZrO2-MoSi2复合粉。 2.利用热压烧结制备了SiC/ZrO2 -MoSi2纳米复相陶瓷,通过对复相陶瓷的相组成与显微结构和力学性能的分析,发现SiC/ ZrO2协同作用综合机制提高复相陶瓷抗弯强度、断裂韧度以及细化晶粒作用明显,20%SiC(p)+10%ZrO2+MoSi2的抗弯强度是MoSi2的3.8倍,断裂韧度为2.4倍;15%SiC(w)+15%ZrO2+MoSi2的抗弯强度是MoSi2的2.6倍,断裂韧度为2.5倍。 3.首次利用密栅云纹干涉法测试分析了纳米复相陶瓷高温断裂韧度,发现SiC/ZrO2协同作用提高复相陶瓷高温断裂韧度,纳米ZrO2颗粒高温增韧效果优于纳米SiC颗粒,纳米SiC颗粒高温增韧效果优于SiC晶须。 4.利用压痕-急冷法研究了SiC/ZrO2 -MoSi2纳米复相陶瓷在100℃~600℃温差范围内的抗热震性能,发现纳米SiC颗粒或晶须与纳米ZrO2颗粒协同复合MoSi2改变了陶瓷裂纹扩展路径和形态,提高抗热震性能;纳米SiC颗粒提高MoSi2抗热震性能效果优于SiC晶须。探讨了SiC/ZrO2 -MoSi2纳米复相陶瓷“粉化”现象、抗氧化性能以及表面膜形成机制,发现复相陶瓷“粉化”现象减弱或没有,表面玻璃膜易形成,SiC/ZrO2协同作用有利于高、低温抗氧化能力的提高。 5.通过室温磨损试验,测试分析了SiC/ZrO2-MoSi2纳米复相陶瓷的磨损特性,发现SiC/ZrO2协同作用能明显改善MoSi2陶瓷的耐磨性,纳米ZrO2颗粒的加入使复相陶瓷粘着磨损比例增大,纳米SiC颗粒的加入使复相陶瓷的磨粒磨损比例增大;纳米SiC/ZrO2颗粒与SiC晶须/ZrO2纳米颗粒协同作用相比,前者复相陶瓷磨粒磨损特征更明显。 6.首次利用X射线衍射法研究了SiC/ZrO2-MoSi2纳米复相陶瓷微观应变,分析了SiC/ZrO2协同作用与MoSi2基体的位错关系,探讨了复相协同作用增韧补强MoSi2的机制,发现复相陶瓷断裂过程中ZrO2微观应变下降,部分转变为应力诱导ZrO2发生相变以及形成微裂纹,纳米SiC颗粒弥散分布在复相陶瓷中,难以缓解周边基体对其包围所产生或传递的应力,微观应变较大;ZrO2依靠自身相变的体积效应向基体泵入位错,晶内型SiC和ZrO2粒子对复相陶瓷位错的钉扎作用明显,SiC晶须阻碍位错运动,使位错缠结、交割,形成位错网结,另外,第二相粒子周围出现孪晶以及SiC晶须引起层错;复相陶瓷的韧化效应是ZrO2粒子的相变韧化及微裂纹形成、SiC晶须或SiC和ZrO2粒子的裂纹偏转和桥联、细化晶粒以及复合材料“内晶型”结构等机制的综合作用;复相陶瓷的强化机制主要为细晶强化和弥散强化。


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