SiC/ZrO-MoSi复合陶瓷性能与残余热应力研究

摘要

MoSi2作为室温摩擦材料和高温结构材料在航空和汽车领域有着广泛的应用，但由于其室温韧性较差以及高温强度低等原始缺陷阻碍了MoSi2的实用化。目前，MoSi2的室温增韧与高温补强是其研究的热点，且改善室温磨损性能、高温机械强度及提高使用温度也是其改性研究的主要方向。本研究的前期成果证明了通过第二相纳米颗粒、晶须产生的协同复合效应是改性MoSi2的有效途径。 本研究通过对前期热压烧结制得的SiC(P)/ZrO2 -MoSi2纳米复合陶瓷材料和SiC(W)/ZrO2 -MoSi2复合陶瓷材料分别进行室温磨损性能研究、抗热震性能研究以及采用密栅云纹干涉法的高温性能研究，探讨第二相SiC颗粒、晶须和ZrO2颗粒对MoSi2的室温磨损性能、抗热震性能以及高温性能的影响效果及影响机理，并摸索出一种适用于陶瓷材料的全新测试手段－密栅云纹干涉法。此外，本研究还利用X射线衍射研究了SiC(P)/ZrO2 -MoSi2纳米复合陶瓷材料和SiC(W)/ZrO2 -MoSi2复合陶瓷材料的微观应变与晶粒尺寸以及其变化趋势，最后采用ANSYS初步计算了复合陶瓷的残余热应力。 研究表明，第二相SiC颗粒、晶须和ZrO2的加入能明显提高MoSi2的室温耐磨性，SiC颗粒、晶须使复合陶瓷的磨损特征倾向于以磨粒磨损为主而ZrO2颗粒则使磨损特征倾向以粘着磨损为主；SiC/ZrO2 -MoSi2复合陶瓷的抗热震性能优于纯MoSi2，在热震温差较小时（100℃～300℃），SiC颗粒与ZrO2颗粒对MoSi2抗热震性能的影响相当，但在较大时（400℃～600℃）ZrO2/MoSi2复合陶瓷的抗热震性能要优于SiC(p)/ MoSi2复合陶瓷，同等ZrO2含量下纳米SiC颗粒提高MoSi2抗热震性能的效果略优于SiC晶须；密栅云纹干涉法对陶瓷材料具有适用性，其实验结果表明：第二相SiC颗粒、晶须和ZrO2颗粒的加入能提高MoSi2的高温断裂韧度，SiC颗粒的加入和含量的增大导致复合陶瓷的热膨胀系数先降低后增大，而ZrO2颗粒则会引起复合陶瓷热膨胀系数的增加；SiC颗粒主要通过细化晶粒和对裂纹的钉扎机制进行增韧，而ZrO2主要通过相变反应形成的微裂纹和孔洞进行增韧，ZrO2的高温增韧效果优于SiC颗粒，同体积含量时，SiC颗粒的整体增韧效果优于SiC晶须； X射线衍射微观应变和晶粒尺寸的计算结果进一步说明了SiC颗粒、晶须和ZrO2颗粒的强韧化机制，SiC颗粒和晶须简单模型的残余热应力计算结果与实际实验结果和相关结论吻合。