原位生成MoSi增强SiN基复合材料的微观结构、力学性能以及SiN-MoSi复合材料的摩擦学行为研究

摘要

Si<,3>N<,4>陶瓷作为一种重要的高温结构材料具有高温强度高、低热膨胀系数、抗热震稳定性好、低密度、高温抗氧化性好等一系列优点。但其固有的脆性、不易加工以及比较高的磨损率限制了氮化硅在工程领域的进一步应用。MoSi<,2>增强Si<,3>N<,4>复合材料显示出良好的高温强度、断裂韧性和可加工性，从上世纪末开始为人们所广泛关注。 本论文将Mo粉和由七钼酸铵分解的MoO<,3>分别添加到Si<,3>N<,4>陶瓷粉末中，在不同温度段进行烧结，考察Mo以及MoO<,3>与氮化硅反应原位生成二硅化钼的可行性，并对反应过程进行了热动力学分析。结果表明：1600℃、1680℃时Mo与Si<,3>N<,4>反应生成MoSi<,2>和Mo<,5>Si<,3>，1750℃时只生成MoSi<,2>；1680℃时MoO<,3>不与Si<,3>N<,4>反应，1750℃时与Si<,3>N<,4>反应生成MoSi<,2>，产物中没有Mo<,5>Si<,3>。热力学分析表明：1600℃以上Mo与Si<,3>N<,4>生成MoSi<,2>和Mo<,5>Si<,3>的反应的自由能均为负值，但前者更小；MoO<,3>具有一定蒸汽压时，1750℃与Si<,3>N<,4>生成MoSi<,2>的反应自由能可以是负值。元素Mo和Si按照(Mo+Si)→(Mo<,5>Si<3>+Si)→MoSi<,2>的顺序生成MoSi<,2>，是1600℃、1680℃时Mo与Si<,3>N<,4>生成Mo<,5>Si<,3>的原因。 为考察原位生成Si<,3>N<,4>-MoSi<,2>复合材料的力学性能，本文以Mo粉和Si<,3>N<,4>为原料，采用热压烧结1750℃制备了不同MoSi<,2>含量的Si<,3>N<,4>-MoSi<,2>复合材料，并对试样进行了X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱色散仪(EDS)以及密度、硬度、断裂韧性的分析。结果表明：Si<,3>N<,4>-MoSi<,2>复合材料比较致密，相对密度95﹪以上；MoSi<,2>在基体内均匀分布；MoSi<,2>的生成没有明显降低材料的硬度；随着MoSi<,2>含量的增加，材料的断裂韧性逐渐增加，MoSi<,2>为30vol﹪时韧性最大为7.6MPa·m<'1/2>，增幅为36﹪；MoSi<,2>继续增加，韧性开始下降。理论分析表明：MoSi<,2>颗粒周围形成的残余应力场对材料起到了增韧作用；而裂纹在MoSi<,2>相内扩展概率的增加是MoSi<,2>含量比较高时材料断裂韧性下降的原因。 由于MoSi<,2>颗粒的脆性，Si<,3>N<,4>-MoSi<,2>复合材料并没有比氮化硅陶瓷显示出更低的磨损率，而Mo<,5>Si<,3>容易发生氧化生成低摩擦系数的MoL<,3>。论文最后将Mo<,5>Si<,3>颗粒直接引入氮化硅陶瓷，在1750℃热压烧结，制备了Si<,3>N<,4>-Mo<,5>Si<,3>复合材料。在载荷为10N、速度为0.4 m/s，普通Si<,3>N<,4>球为对偶的干摩擦条件下，测试了材料20～500℃的摩擦学性能，并对磨损表面和磨屑分别作了SEM和XPS分析。结果表明：不同温度下，随着Mo<,5>Si<,3>含量的增加，材料磨损率明显降低；与不加Mo<,5>Si<,3>的Si<,3>N<,4>陶瓷相比，下降一个数量级；同时材料的摩擦系数也有一定程度的降低。磨损表面SEM和磨屑XPS分析表明：Si<,3>N<,4>陶瓷20℃、500℃时主要磨损机理分别为晶间断裂和表面断裂，这是其出现严重磨损和磨损率随温度上升的原因；复合材料力学性能改善，Mo<,5>Si<,3>在摩擦表面发生氧化生成MoO<,3>，材料的磨损机理转变为塑性变形，是材料耐磨性能明显提高的主要原因。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1氮化硅的晶体结构

1.2氮化硅的性能与应用

1.2.1氮化硅的基本物理、化学性能

1.2.2氮化硅陶瓷的机械性能

1.2.3氮化硅陶瓷摩擦学性能

1.2.4氮化硅的应用

1.3氮化硅陶瓷的烧结工艺

1.3.1反应烧结

1.3.2常压烧结

1.3.3重烧结

1.3.4热压烧结

1.3.5气压烧结

1.3.6热等静压法

1.3.7放电等离子体烧结法

1.4氮化硅的增韧

1.4.1纤维或晶须增韧

1.4.2自增韧

1.4.3叠层复合增韧

1.4.3 ZrO2相变增韧

1.4.4颗粒增韧

1.5 MoSi2和Mo5Si3的结构和基本性能

1.6本论文研究的目的和意义

参考文献

第二章复合材料Si3N4-MoSi2的原位生成

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验原料

2.2.2初始粉体制备

2.2.3配料和烧结制度

2.2.4烧结体物相分析

2.3结果与讨论

2.4结论

参考文献：

第三章原位生成MoSi2增强Si3N4复合材料的微观结构和力学性能

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验原料与初始粉体制备

3.2.2配料和烧结制度

3.2.3测试手段

3.3测试原理

3.3.1密度测试

3.3.2断裂韧性参数的测试

3.3.3硬度的测试

3.4显微结构

3.4.1相分析

3.4.2表面形貌

3.4.3助烧剂分布

3.4.4表面显微结构

3.4.5复合材料内部应力

3.5力学性能

3.5.1相对密度与硬度

3.5.2断裂韧性

3.6结论

参考文献

第四章Si3N4-Mo5Si3复合材料的摩擦磨损行为研究

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1实验原料与配料

4.2.2初始粉体制备与烧结制度

4.2.2试样预处理与摩擦实验条件

4.3显微结构与力学性能

4.3.1 XRD物相分析与表面形貌

4.3.2力学性能

4.4摩擦磨损实验结果与讨论

4.4.1实验结果

4.4.2磨损表面的SEM与磨屑的XPS分析

4.4.3讨论

4.5结论

参考文献

第五章总结与展望

5.1结论

5.2展望

致谢