石墨烯-氮化硅基復(fù)合陶瓷刀具材料及其摩擦磨損特性研究.pdf

1、根據(jù)氮化硅陶瓷刀具材料具有高硬度、高耐磨性，但脆性大、抗彎強(qiáng)度較低等特點(diǎn)，采用石墨烯作為增強(qiáng)相，以提高氮化硅基復(fù)合陶瓷刀具材料的綜合力學(xué)性能為目的，利用真空熱壓燒結(jié)工藝制備了石墨烯/氮化硅基復(fù)合陶瓷刀具材料，測(cè)試了其力學(xué)性能，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和摩擦磨損特性進(jìn)行了研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用不同的分散劑對(duì)石墨烯進(jìn)行了分散實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)分散效果最佳的分散劑進(jìn)行了優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)不同分散劑濃度的石墨烯分散液進(jìn)行

2、了吸光度測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：聚乙烯吡咯烷酮對(duì)石墨烯具有良好的分散效果，當(dāng)其添加量等于石墨烯的添加量時(shí)，吸光度最大，即分散效果最好。⑵采用熱壓燒結(jié)工藝制備了石墨烯/Si3N4和石墨烯/Si3N4/TiC復(fù)合陶瓷刀具材料，測(cè)試了其力學(xué)性能，并進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：燒結(jié)后?-Si3N4全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Si3N4；石墨烯的添加顯著提高了氮化硅基復(fù)合陶瓷刀具材料的力學(xué)性能，當(dāng)其添加量為1wt％時(shí)，石墨烯/Si3N4復(fù)合陶瓷刀具的硬度為1

3、3.9GPa，斷裂韌性為8.7MPa·m1/2，抗彎強(qiáng)度為892MPa。當(dāng)石墨烯的添加量為0.75wt%時(shí)，石墨烯/Si3N4/TiC復(fù)合陶瓷刀具材料的硬度、斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度分別為15.83GPa、9.39MPa·m1/2和928MPa。微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)陶瓷刀具材料中的石墨烯互相平行，并垂直于熱壓方向，刀具材料的力學(xué)性能具有各向異性。當(dāng)石墨烯含量為1wt%時(shí)，在垂直于熱壓方向上，石墨烯/Si3N4復(fù)合陶瓷刀具的硬度、斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度

4、比平行方向上分別高出12.1%、14.5%和20.2%。當(dāng)石墨烯的含量為0.75wt%時(shí)，在垂直于熱壓方向上，石墨烯/Si3N4/TiC復(fù)合陶瓷刀具的硬度、斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度比平行方向上的性能數(shù)值分別高出2.9%、7.3%和4.6%。微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，石墨烯位于基體晶粒的邊界，細(xì)化了晶粒，陶瓷刀具材料的增韌機(jī)理為裂紋的偏轉(zhuǎn)、橋連、分支及石墨烯的拔出。⑶采用石墨烯含量為1wt%的石墨烯/Si3N4復(fù)合陶瓷刀具材料進(jìn)行了摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究，在

5、垂直于熱壓方向的表面，其摩擦系數(shù)為0.67，磨損率為2.13×10-6mm3/N·m，在平行于熱壓方向的表面摩擦系數(shù)為0.73，磨損率為2.56×10-6mm3/N·m?；谑┑娜∠蛐詫?duì) Si3N4基復(fù)合陶瓷刀具材料摩擦磨損特性的影響，研究了石墨烯的取向角度對(duì)氮化硅基復(fù)合刀具材料的摩擦系數(shù)和磨損率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)取向角度為30°時(shí)，摩擦系數(shù)和磨損率最低，其摩擦系數(shù)為0.46，磨損率為4.29×10-6mm3/N·m，石墨烯的減磨