原位合成Fe-Si/Si3N4系陶瓷复合材料及其力学性能研究

摘要

Si3N4和sialon陶瓷是20世纪70年代迅速发展起来的陶瓷材料，具有强度高、硬度高、耐高温、热学和电学性能优良等优点，在工业中得到了广泛的应用。但是这两种材料也具有陶瓷材料普遍的缺点:脆性大以及烧结温度高，因而限制了其更广泛的应用。金属间化合物的性能介于金属与陶瓷之间，在改善Al2O3陶瓷力学性能方面有着突出的贡献。然而其在Si3N4系陶瓷材料方面的研究还较少。
　　本文以金属间化合物Fe3Al为原材料，利用反应热压烧结技术，在较低的温度下原位合成了Fe-Si/sialon和CNTs/Fe-Si/sialon陶瓷复合材料，并且制备了Fe-Si/Si3N4复合材料，并对复合材料的力学性能、Fe3Al和CNTs在陶瓷材料中的增韧机制进行了研究和报道。另外利用磁控溅射技术在Fe-Si/Si3N4复合材料表面制备(TiAlSi)N硬质耐磨涂层，并对涂层的形貌和耐磨性等进行了研究，主要成果如下:
　　(1)利用金属间化合物Fe3Al作为原材料，在温度1600℃，N2保护气氛下，采用反应热压烧结技术成功制备Fe-Si/sialon复合材料。适量的Fe3Al能够提高复合材料的致密度，并通过在裂纹扩展中形成裂纹桥接和裂纹偏转来提高复合材料的韧性。相比较纯sialon相，Fe-Si/sialon复合材料的弯曲强度、断裂韧性和硬度分别提高了146.3％，73.3％和5.9％。另外，Al2O3作为生成相sialon的反应物之一，其添加量也对复合材料的性能及物相组成产生一定的影响。当Al2O3添加量为20 wt％时，复合材料的韧性、硬度、强度分别达到5.7 MPa·m1/2、16.2 GPa和500MPa。
　　(2)以Si3N4、Al2O3、CNTs和Fe3Al为起始原料，在温度1600℃反应热压烧结原位制备了CNTs/Fe-Si/sialon复合材料，并对其力学性能和微观形貌进行了分析。研究结果表明， Fe3Al和CNTs共同作用于sialon陶瓷材料时，获得了最优的性能。断裂韧性从4 MPa m1/2增加到6.7 MPa·m1/2，硬度从13.3 GPa增加到13.7 GPa，弯曲强度最高达到546MPa。在复合材料中Fe-Si起到的裂纹桥接和促使裂纹偏转的作用，CNTs的拔出和裂纹桥接作用，以及β-sialon晶粒的自增韧作用，这三种增韧机制相互作用使复合材料的断裂韧性得到显著改善。
　　(3)以Si3N4和Fe3Al为起始原料，在温度1750℃原位合成具有较高断裂韧性的Fe-Si/Si3N4复合材料。研究结果表明，Fe3Al的添加促进了Si3N4晶粒的生长，促使更多柱状晶的形成。当添加4 wt％ Fe3Al时，复合材料拥有最好的断裂韧性，达到8 MPa·m1/2，是纯Si3N4的断裂韧性的123.1％。
　　(4)以金属间化合物Fe3Al作为原材料，用于制备和增韧sialon陶瓷和Si3N4陶瓷取得了很好的效果。生成相Fe-Si增韧陶瓷材料的机制主要有:裂纹偏转、裂纹桥接、促进柱状晶生长以期达到柱状晶桥接和金属颗粒桥接的耦合作用。另外复合材料基体内的微小孔一方面缓解了化学反应对两相界面的加强，增加裂纹扩展的路径从而提高复合材料的韧性。另一方面它能够有效地减缓裂纹尖端的应力集中，增加裂纹扩展的难度，抑制裂纹传播。
　　(5)利用磁控溅射技术涂覆(TiAlSi)N硬质耐磨涂层后有效地改善了材料的耐磨性。在偏压为100 V，TiAl靶电流为0.2A，Si靶电流为0.3 A，沉积时间2h时，涂层的厚度为0.91μm，摩擦系数达到0.23，硬度能够达到21.3 GPa。对比基体材料的摩擦系数0.62，硬度14.1 GPa，其硬度和耐磨性均有明显改善。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 Si3N4及sialon陶瓷的研究现状

1．2．1 Si3N4及sialon陶瓷简介

1．2．2 Si3N4系陶瓷材料的烧结技术

1．2．3 Si3N4系陶瓷材料增韧补强研究

1．3 金属间化合物的研究现状

1．3．1 金属间化合物简介

1．3．2 金属间化合物的制备方法

1．3．3 金属间化合物的应用

1．4 硬质耐磨涂层的研究现状

1．4．1 硬质耐磨涂层简介

1．4．2 硬质耐磨涂层的制备方法

1．4．3 涂层材料性能的影响因素

1．5 本课题研究的意义及主要研究内容

1．5．1 本课题研究的目的及意义

1．5．2 本课题研究的主要内容

第二章 实验材料与表征技术

2．1 研究方法

2．2 实验材料与实验设备

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验设备

2．3 表征测试技术

2．3．1 表征技术

2．3．2 测试技术

第三章 Fe-Si／sialon复合材料的低温原位合成及力学性能

3．1 Fe-Si／sialon复合材料的设计原则

3．2 Fe-Si／sialon复合材料的热力学分析

3．3 Fe-Si／sialon复合材料的制备工艺

3．4 结果与讨论

3．4．1 金属间化合物Fe3Al的物相及微观形貌

3．4．2 Fe3Al添加量对Fe-Si／sialon复合材料的影响

3．4．3 Al2O3添加量对Fe-Si／sialon复合材料的影响

3．4．4 Fe-Si／sialon复合材料的抗热震性

3．5 本章小结

第四章 CNTs／Fe-Si／sialon复合材料的低温原位合成及力学性能

4．1 CNTs／Fe-Si／sialon复合材料的设计

4．2 CNTs／Fe-Si／sialon复合材料烧结的影响因素

4．3 CNTs／Fe-Si／sialon复合材料的制备工艺

4．3．1 实验材料

4．3．2 实验方法

4．4 结果与讨论

4．4．1 CNTs／Fe-Si／sialon复合材料的力学性能

4．4．2 CNTs／Fe-Si／sialon复合材料的物相分析及微观形貌

4．4．3 CNTs和Fe-Si的增韧机理

4．5 本章小结

第五章 Fe-Si／Si3N4复合材料原位合成及力学性能

5．1 Fe-Si／Si3N4复合材料烧结的可行性

5．2 Fe-Si／Si3N4复合材料的制备工艺

5．2．1 实验材料

5．2．2 实验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 Fe-Si／Si3N4复合材料的力学性能

5．3．2 Fe-Si／Si3N4复合材料的物相及显微结构分析

5．4 本章小结

第六章 Fe3Al在Si3N4系陶瓷材料中的作用机理

6．1 Fe3Al的作用机理

6．1．1 颗粒增韧的作用机理

6．1．2 界面气孔的作用

6．2 本章小结

第七章 陶瓷表面(TiAlSi)N硬质耐磨涂层的制备及性能

7．1 (TiAlSi)N硬质耐磨涂层的制备过程及表征手段

7．1．1 研究路线

7．1．2 实验过程

7．1．2 测试表征手段

7．2 结果与讨论

7．2．1 沉积时间对(TiAlSi)N硬质耐磨涂层结构和性能的影响

7．2．2 偏压对(TiAlSi)N硬质耐磨涂层结构和性能的影响

7．2．3 靶材电流对(TiAlSi)N硬质耐磨涂层结构和性能的影响

7．2．4 摩擦性能的研究

7．3 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

附录 攻读博士期间发表的论文和取得的成果