原位合成Fe-Si-Si3N4系陶瓷復(fù)合材料及其力學(xué)性能研究.pdf

1、Si3N4和sialon陶瓷是20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來的陶瓷材料，具有強(qiáng)度高、硬度高、耐高溫、熱學(xué)和電學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是這兩種材料也具有陶瓷材料普遍的缺點(diǎn):脆性大以及燒結(jié)溫度高，因而限制了其更廣泛的應(yīng)用。金屬間化合物的性能介于金屬與陶瓷之間，在改善Al2O3陶瓷力學(xué)性能方面有著突出的貢獻(xiàn)。然而其在Si3N4系陶瓷材料方面的研究還較少。
　　本文以金屬間化合物Fe3Al為原材料，利用反應(yīng)熱壓燒結(jié)技術(shù)

2、，在較低的溫度下原位合成了Fe-Si/sialon和CNTs/Fe-Si/sialon陶瓷復(fù)合材料，并且制備了Fe-Si/Si3N4復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能、Fe3Al和CNTs在陶瓷材料中的增韌機(jī)制進(jìn)行了研究和報(bào)道。另外利用磁控濺射技術(shù)在Fe-Si/Si3N4復(fù)合材料表面制備(TiAlSi)N硬質(zhì)耐磨涂層，并對(duì)涂層的形貌和耐磨性等進(jìn)行了研究，主要成果如下:
　　(1)利用金屬間化合物Fe3Al作為原材料，在溫度1600℃

3、，N2保護(hù)氣氛下，采用反應(yīng)熱壓燒結(jié)技術(shù)成功制備Fe-Si/sialon復(fù)合材料。適量的Fe3Al能夠提高復(fù)合材料的致密度，并通過在裂紋擴(kuò)展中形成裂紋橋接和裂紋偏轉(zhuǎn)來提高復(fù)合材料的韌性。相比較純sialon相，F(xiàn)e-Si/sialon復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和硬度分別提高了146.3％，73.3％和5.9％。另外，Al2O3作為生成相sialon的反應(yīng)物之一，其添加量也對(duì)復(fù)合材料的性能及物相組成產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)Al2O3添加量為20

4、 wt％時(shí)，復(fù)合材料的韌性、硬度、強(qiáng)度分別達(dá)到5.7 MPa·m1/2、16.2 GPa和500MPa。
　　(2)以Si3N4、Al2O3、CNTs和Fe3Al為起始原料，在溫度1600℃反應(yīng)熱壓燒結(jié)原位制備了CNTs/Fe-Si/sialon復(fù)合材料，并對(duì)其力學(xué)性能和微觀形貌進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明， Fe3Al和CNTs共同作用于sialon陶瓷材料時(shí)，獲得了最優(yōu)的性能。斷裂韌性從4 MPa m1/2增加到6.7 MPa·m

5、1/2，硬度從13.3 GPa增加到13.7 GPa，彎曲強(qiáng)度最高達(dá)到546MPa。在復(fù)合材料中Fe-Si起到的裂紋橋接和促使裂紋偏轉(zhuǎn)的作用，CNTs的拔出和裂紋橋接作用，以及β-sialon晶粒的自增韌作用，這三種增韌機(jī)制相互作用使復(fù)合材料的斷裂韌性得到顯著改善。
　　(3)以Si3N4和Fe3Al為起始原料，在溫度1750℃原位合成具有較高斷裂韌性的Fe-Si/Si3N4復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，F(xiàn)e3Al的添加促進(jìn)了Si3N4

6、晶粒的生長(zhǎng)，促使更多柱狀晶的形成。當(dāng)添加4 wt％ Fe3Al時(shí)，復(fù)合材料擁有最好的斷裂韌性，達(dá)到8 MPa·m1/2，是純Si3N4的斷裂韌性的123.1％。
　　(4)以金屬間化合物Fe3Al作為原材料，用于制備和增韌sialon陶瓷和Si3N4陶瓷取得了很好的效果。生成相Fe-Si增韌陶瓷材料的機(jī)制主要有:裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋橋接、促進(jìn)柱狀晶生長(zhǎng)以期達(dá)到柱狀晶橋接和金屬顆粒橋接的耦合作用。另外復(fù)合材料基體內(nèi)的微小孔一方面緩解了化學(xué)

7、反應(yīng)對(duì)兩相界面的加強(qiáng)，增加裂紋擴(kuò)展的路徑從而提高復(fù)合材料的韌性。另一方面它能夠有效地減緩裂紋尖端的應(yīng)力集中，增加裂紋擴(kuò)展的難度，抑制裂紋傳播。
　　(5)利用磁控濺射技術(shù)涂覆(TiAlSi)N硬質(zhì)耐磨涂層后有效地改善了材料的耐磨性。在偏壓為100 V，TiAl靶電流為0.2A，Si靶電流為0.3 A，沉積時(shí)間2h時(shí)，涂層的厚度為0.91μm，摩擦系數(shù)達(dá)到0.23，硬度能夠達(dá)到21.3 GPa。對(duì)比基體材料的摩擦系數(shù)0.62，硬度1