碳納米管增韌MoSi2金屬間化合物的結(jié)構(gòu)性能與第一性原理計算.pdf

1、金屬間化合物MoSi2由于其良好的高溫強(qiáng)度和抗氧化性能在高溫結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力,如果發(fā)揮出MoSi2的潛在優(yōu)勢,其在1200~1600℃所表現(xiàn)出來的綜合性能有希望代替鎳基超合金。但由于其存在低溫脆性和高溫軟塑性,限制了MoSi2體系材料的應(yīng)用。
　　為實現(xiàn)MoSi2系材料“低溫增韌和高溫補(bǔ)強(qiáng)”目標(biāo),本文根據(jù)復(fù)合材料強(qiáng)韌化理論設(shè)計MoSi2基復(fù)合材料,選擇具有低密度、高強(qiáng)度、高韌性、高熱穩(wěn)定性的納米碳管做為增強(qiáng)相。采用機(jī)

2、械合金化法制備了MoSi2粉末,采用熱壓燒結(jié)法制備了CNTs/MoSi2復(fù)合材料。并結(jié)合相關(guān)分析測試手段,分析了CNTs/MoSi2復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)、斷口形貌,測試了材料硬度、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和高溫力學(xué)性能。根據(jù)第一性原理,建立了碳原子嵌入MoSi2單晶力學(xué)模型,提出了MoSi2晶體塑性理論,給出了MoSi2晶體的力學(xué)性能,采用CASTEP計算了MoSi2材料的電子特征和分布,并預(yù)報了MoSi2晶體和CNTs/MoSi2材料的力學(xué)性

3、能。同時深入探討并揭示CNTs/MoSi2復(fù)合材料強(qiáng)韌化機(jī)制。
　　結(jié)果顯示,在機(jī)械合金化制備MoSi2過程中,球料比、球罐轉(zhuǎn)速、球磨時間顯著影響粉體中金屬間化合物成分,球磨助劑影響顆粒度。在熱壓燒結(jié)制備CNTs/MoSi2過程中,包覆了活性劑的納米碳管和MoSi2粒子在微觀層次上混合均勻,燒結(jié)后結(jié)合牢固。燒結(jié)產(chǎn)物CNTs/MoSi2材料組織主要包括MoSi2、Mo4.8Si3C0.6、SiC等相。彈性常數(shù)和各種模量的計算結(jié)果與實

4、驗一致,彈性常數(shù)計算值隨晶格的變化呈線性變化規(guī)律。CNTs/MoSi2復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)報表明,C原子替代Si原子后,提高了MoSi2晶體的韌性。
　　在原子和電子結(jié)構(gòu)角度,MoSi2彈性常數(shù)計算值隨晶格的變化呈線性變化規(guī)律源于Si原子3s和3p軌道和Mo原子的4d軌道雜化作用形成共價鍵電子結(jié)構(gòu)的變化,其脆性源于Si-Si鍵較弱,系統(tǒng)在<001>方向上優(yōu)先沿Si-Si鍵斷裂。而碳原子替代Si原子使[001]方向上的表面能降低,改變