原位生成MoSi-,2-增強Si-,3-N-,4-基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、力學性能以及Si-,3-N-,4--Mo-,5-Si-,3-復(fù)合材料的摩擦學行為研究.pdf

1、Si<,3>N<,4>陶瓷作為一種重要的高溫結(jié)構(gòu)材料具有高溫強度高、低熱膨脹系數(shù)、抗熱震穩(wěn)定性好、低密度、高溫抗氧化性好等一系列優(yōu)點。但其固有的脆性、不易加工以及比較高的磨損率限制了氮化硅在工程領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。MoSi<,2>增強Si<,3>N<,4>復(fù)合材料顯示出良好的高溫強度、斷裂韌性和可加工性，從上世紀末開始為人們所廣泛關(guān)注。 本論文將Mo粉和由七鉬酸銨分解的MoO<,3>分別添加到Si<,3>N<,4>陶瓷粉末中，在不

2、同溫度段進行燒結(jié)，考察Mo以及MoO<,3>與氮化硅反應(yīng)原位生成二硅化鉬的可行性，并對反應(yīng)過程進行了熱動力學分析。結(jié)果表明：1600℃、1680℃時Mo與Si<,3>N<,4>反應(yīng)生成MoSi<,2>和Mo<,5>Si<,3>，1750℃時只生成MoSi<,2>；1680℃時MoO<,3>不與Si<,3>N<,4>反應(yīng)，1750℃時與Si<,3>N<,4>反應(yīng)生成MoSi<,2>，產(chǎn)物中沒有Mo<,5>Si<,3>。熱力學分析表明：16

3、00℃以上Mo與Si<,3>N<,4>生成MoSi<,2>和Mo<,5>Si<,3>的反應(yīng)的自由能均為負值，但前者更?。籑oO<,3>具有一定蒸汽壓時，1750℃與Si<,3>N<,4>生成MoSi<,2>的反應(yīng)自由能可以是負值。元素Mo和Si按照(Mo+Si)→(Mo<,5>Si<3>+Si)→MoSi<,2>的順序生成MoSi<,2>，是1600℃、1680℃時Mo與Si<,3>N<,4>生成Mo<,5>Si<,3>的原因。

4、 為考察原位生成Si<,3>N<,4>-MoSi<,2>復(fù)合材料的力學性能，本文以Mo粉和Si<,3>N<,4>為原料，采用熱壓燒結(jié)1750℃制備了不同MoSi<,2>含量的Si<,3>N<,4>-MoSi<,2>復(fù)合材料，并對試樣進行了X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)、能譜色散儀(EDS)以及密度、硬度、斷裂韌性的分析。結(jié)果表明：Si<,3>N<,4>-MoSi<,2>復(fù)合材料比較致密，相對密度95﹪以上；MoSi<,2>在

5、基體內(nèi)均勻分布；MoSi<,2>的生成沒有明顯降低材料的硬度；隨著MoSi<,2>含量的增加，材料的斷裂韌性逐漸增加，MoSi<,2>為30vol﹪時韌性最大為7.6MPa·m<'1/2>，增幅為36﹪；MoSi<,2>繼續(xù)增加，韌性開始下降。理論分析表明：MoSi<,2>顆粒周圍形成的殘余應(yīng)力場對材料起到了增韌作用；而裂紋在MoSi<,2>相內(nèi)擴展概率的增加是MoSi<,2>含量比較高時材料斷裂韌性下降的原因。 由于MoSi<

6、,2>顆粒的脆性，Si<,3>N<,4>-MoSi<,2>復(fù)合材料并沒有比氮化硅陶瓷顯示出更低的磨損率，而Mo<,5>Si<,3>容易發(fā)生氧化生成低摩擦系數(shù)的MoL<,3>。論文最后將Mo<,5>Si<,3>顆粒直接引入氮化硅陶瓷，在1750℃熱壓燒結(jié)，制備了Si<,3>N<,4>-Mo<,5>Si<,3>復(fù)合材料。在載荷為10N、速度為0.4 m/s，普通Si<,3>N<,4>球為對偶的干摩擦條件下，測試了材料20～500℃的摩擦學性

7、能，并對磨損表面和磨屑分別作了SEM和XPS分析。結(jié)果表明：不同溫度下，隨著Mo<,5>Si<,3>含量的增加，材料磨損率明顯降低；與不加Mo<,5>Si<,3>的Si<,3>N<,4>陶瓷相比，下降一個數(shù)量級；同時材料的摩擦系數(shù)也有一定程度的降低。磨損表面SEM和磨屑XPS分析表明：Si<,3>N<,4>陶瓷20℃、500℃時主要磨損機理分別為晶間斷裂和表面斷裂，這是其出現(xiàn)嚴重磨損和磨損率隨溫度上升的原因；復(fù)合材料力學性能改善，Mo<