基于SiC/ZrO2协同作用的MoSi2改性技术研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 2 基本特性及应用'>1.2 MOSi₂基本特性及应用
• 2基本特性'>1.2.1 MoSi₂基本特性
• 2的应用'>1.2.2 MoSi₂的应用
• 2 材料的改性途径'>1.3 MOSi₂材料的改性途径
• 1.3.1 合金化
• 1.3.2 复合化
• 2 基复合材料研究现状与发展趋势'>1.4 MOSi₂基复合材料研究现状与发展趋势
• 2基复合材料增强体的研究'>1.4.1 MoSi₂基复合材料增强体的研究
• 2基复合材料合成方法的研究'>1.4.2 MoSi₂基复合材料合成方法的研究
• 2基复合材料力学性能的研究'>1.4.3 MoSi₂基复合材料力学性能的研究
• 1.4.4 发展趋势
• 1.5 本研究的目的、意义和主要内容
• 1.5.1 目的与意义
• 1.5.2 主要研究内容
• 2-MOSi₂复合粉体的制备与表征'>第二章 SIC/ZrO₂-MOSi₂复合粉体的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 纳米颗粒的分散方法与表征
• 2.2.1 纳米粒子的团聚与分散
• 2.2.2 纳米颗粒的分散方法
• 2.2.3 常用分散剂的种类
• 2.2.4 纳米粉体分散稳定性表征方法及评价
• 2、SIC 纳米颗粒的分散'>2.3 ZrO₂、SIC 纳米颗粒的分散
• 2.3.1 实验方法
• 2.3.2 实验结果与分析
• 2-MOSi₂ 复合粉体的制备'>2.4 SIC（P）/ZrO₂-MOSi₂复合粉体的制备
• 2.4.1 制备方法及工艺
• （P）/ZrO₂- MoSi₂复合粉体评价'>2.4.2 SiC_（P）/ZrO₂- MoSi₂复合粉体评价
• 2.5 SIC 晶须的分散
• 2.5.1 分散剂对SiC 晶须分散的影响
• 2.5.2 SiC 晶须分散度的评定
• 2.5.3 SiC 晶须提纯与分散
• 2-MOSi₂ 复合粉体的制备'>2.6 SIC（W）/ZrO₂-MOSi₂复合粉体的制备
• 2.6.1 制备方法及工艺
• （W）/ZrO₂- MoSi₂复合粉体评价'>2.6.2 SiC_（W）/ZrO₂- MoSi₂复合粉体评价
• 2.7 本章小结
• 2-MOSi₂纳米复相陶瓷制备及组织与性能'>第三章 SIC/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷制备及组织与性能
• 3.1 引言
• 2-MOSi₂ 纳米复相陶瓷'>3.2 热压烧结制备SIC/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷
• 3.2.1 原材料与实验设备
• 3.2.2 试样制备工艺
• 3.2.3 显微结构与性能测试方法
• （P）/ZrO₂-MOSi₂ 纳米复相陶瓷显微结构与性能'>3.3 SIC_（P）/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷显微结构与性能
• 3.3.1 相组成与显微结构
• 3.3.2 密度及孔隙率
• 3.3.3 晶粒尺寸
• 3.3.4 显微硬度
• 3.3.5 抗弯强度
• 3.3.6 断裂韧度
• （W）/ZrO₂-MOSi₂ 纳米复相陶瓷显微结构与性能'>3.4 SIC_（W）/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷显微结构与性能
• 3.4.1 相组成与显微结构
• 3.4.2 密度及孔隙率
• 3.4.3 晶粒尺寸
• 3.4.4 显微硬度
• 3.4.5 抗弯强度
• 3.4.6 断裂韧度
• 3.5 热压工艺对纳米复相陶瓷致密度与性能的影响
• 3.6 本章小结
• 2-MoSi₂纳米复相陶瓷 高温断裂韧度及热膨胀系数'>第四章 密栅云纹干涉法研究SiC/ZrO₂-MoSi₂纳米复相陶瓷 高温断裂韧度及热膨胀系数
• 4.1 引言
• 4.2 密栅云纹干涉法
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 测试原理
• 2-MOSi₂ 纳米复相陶瓷高温断裂韧度与热膨胀系数'>4.3 密栅云纹干涉法测定SIC/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷高温断裂韧度与热膨胀系数
• 4.3.1 高温断裂韧度测试原理及计算方法
• 4.3.2 高温断裂韧度测试过程
• 4.3.3 热膨胀系数测试方法
• 4.3.4 实验材料
• 4.3.5 测试结果及分析
• 4.3.6 高温断口SEM 分析
• 4.4 SIC 颗粒与晶须对纳米复相陶瓷高温断裂韧度及热膨胀系数的影响
• 4.4.1 高温断裂韧度与热膨胀系数
• 4.4.2 高温断口SEM 照片
• 4.4.3 分析与讨论
• 4.5 本章小结
• 2-MOSi₂纳米复相陶瓷抗热震性与抗氧化性研究'>第五章SIC/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷抗热震性与抗氧化性研究
• 5.1 引言
• 2-MOSi₂ 纳米复相陶瓷抗热震性'>5.2 SIC/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷抗热震性
• 5.2.1 实验方法
• 5.2.2 实验结果与分析
• 5.2.3 纳米复相陶瓷裂纹扩展形态与第二相提高抗热震性能机制探讨
• 2-MOSi₂ 纳米复相陶瓷抗氧化性能'>5.3 SIC/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷抗氧化性能
• 5.3.1 实验方法
• 5.3.2 实验结果
• 5.3.3 氧化特征及表面膜形成机制探讨
• 5.4 本章小结
• 2-MOSi₂纳米复相陶瓷室温磨损性能研究'>第六章 SIC/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷室温磨损性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 实验材料及试样制备
• 6.2.2 实验方法
• 6.3 实验结果
• 2-MoSi₂纳米复相陶瓷磨损特性'>6.3.1 SiC（p）/ZrO₂-MoSi₂纳米复相陶瓷磨损特性
• 2-MoSi₂纳米复相陶瓷磨损特性'>6.3.2 SiC（W）/ZrO₂-MoSi₂纳米复相陶瓷磨损特性
• 6.4 分析与讨论
• 2颗粒对MoSi₂陶瓷磨损性能的影响'>6.4.1 纳米SiC、ZrO₂颗粒对MoSi₂陶瓷磨损性能的影响
• 2纳米颗粒对MoSi₂陶瓷磨损性能的影响'>6.4.2 SiC 晶须协同ZrO₂纳米颗粒对MoSi₂陶瓷磨损性能的影响
• 2-MoSi₂与SiC（w）/ZrO₂-MoSi₂纳米复相陶瓷磨损特性的对比'>6.4.3 SiC（p）/ZrO₂-MoSi₂与SiC（w）/ZrO₂-MoSi₂纳米复相陶瓷磨损特性的对比
• 6.5 本章小结
• 2-MOSi₂纳米复相陶瓷微观应变与强韧化机制探讨'>第七章 X 射线衍射法研究SIC/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷微观应变与强韧化机制探讨
• 7.1 引言
• 2-MOSi₂ 纳米复相陶瓷微观应变'>7.2 X 射线衍射法研究SIC/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷微观应变
• 7.2.1 X 射线衍射法微观应变测试原理
• 7.2.2 实验设备及实验参数
• 2-MoSi₂纳米复相陶瓷微观应变'>7.2.3 SiC/ZrO₂-MoSi₂纳米复相陶瓷微观应变
• 2-MOSi₂纳米复相陶瓷显微结构及断口形貌与性能的关系'>7.3 SIC/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷显微结构及断口形貌与性能的关系
• 7.3.1 显微结构与力学性能的关系
• 7.3.2 断口形貌与断裂韧性的关系
• 2-MOSi₂ 纳米复相陶瓷强韧化机制'>7.4 SIC/ZrO₂-MOSi₂纳米复相陶瓷强韧化机制
• 2纳米颗粒强韧化MoSi₂基体'>7.4.1 ZrO₂纳米颗粒强韧化MoSi₂基体
• 2基体'>7.4.2 SiC 纳米颗粒强韧化MoSi₂基体
• 2基体'>7.4.3 SiC 晶须强韧化MoSi₂基体
• 2协同作用增韧补强MoSi₂基体'>7.4.4 SiC/ZrO₂协同作用增韧补强MoSi₂基体
• 7.5 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.1.1 本文完成的主要工作与取得的成果
• 8.1.2 本文创新之处
• 8.2 后继研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文