Sialon陶瓷复合材料的高韧-自润滑一体化设计、 制备及其性能研究

题名	Sialon陶瓷复合材料的高韧-自润滑一体化设计、制备及其性能研究
作者	孙奇春
答辩日期	2019-05-27
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	乔竹辉
关键词	Sialon陶瓷复合材料力学性能陶瓷增韧摩擦学性能 Sialon ceramic Composites Mechanical properties Toughening ceramic Tribological behaviors
学位名称	工学博士
其他题名	无
学位专业	材料学
英文摘要	β-Sialon陶瓷复合材料以其良好的力学性能、高温稳定性、抗氧化性和抗热震性而具有十分诱人的应用前景。但是较差的摩擦学性能以及陶瓷材料的本征脆性在很大程度上限制了其在结构材料方面更加广泛的应用。本论文基于β-Sialon陶瓷复合材料增韧-自润滑的一体化设计原则，通过对β-Sialon陶瓷微观结构和物相组成的调控，实现β-Sialon陶瓷复合材料的增韧和自润滑。系统研究了β-Sialon陶瓷复合材料在宽温域（25~900°C）的力学性能和摩擦学性能，揭示了其摩擦学行为、力学性能、温度、微观结构以及摩擦化学反应之间的影响规律。获得的主要结论如下： 1.采用放电等离子烧结方法制备了四种不同z值的β-Sialon陶瓷。研究了其在宽温域范围内的力学性能和摩擦学性能，揭示了温度、微观结构、力学性能等对摩擦学行为的影响机理。β-Sialon陶瓷的力学性能与其化学组成和使役温度密切相关。z值越小，β-Sialon陶瓷柱状晶的晶粒越细小、长径比越大，其力学性能越好。β-Sialon陶瓷的力学性能随温度的升高而降低。与此同时，在室温下，β-Sialon陶瓷优异的摩擦学性能主要归因于其良好的力学性能。然而，随着温度的升高，β-Sialon陶瓷的摩擦学性能急剧变差，相较于室温时磨损率增大了两个数量级。而高z值的β-Sialon陶瓷在800°C的高温摩擦过程中生成较多的氧化铝，从而具有较好的抗磨损性能。 2.通过添加铜粉，设计制备出一种在高温下具有高韧-自润滑一体化性能的β-Sialon陶瓷复合材料。复合材料的断裂韧性在25°C和900°C时分别可达6.75MPa•m1/2和4.42MPa•m1/2。并且，添加铜的β-Sialon陶瓷复合材料可以实现高温下的自润滑。尤其是当铜粉含量高于10wt%，测试温度为900°C时，复合材料的摩擦系数低至0.56~0.65，磨损率降低了两个数量级。自润滑机制为其在高温摩擦过程中发生了摩擦化学反应，生成了具有润滑作用的CuO摩擦膜。 3.通过添加铜包石墨，成功实现了β-Sialon陶瓷复合材料在宽温域下的自润滑。尽管铜包石墨的添加导致β-Sialon陶瓷复合材料的硬度下降。但是可以有效地改善β-Sialon陶瓷复合材料在宽温域范围内的摩擦学性能。添加30wt%铜包石墨的复合材料在600°C时的摩擦系数低至0.5，其磨损率相较于未添加的试样降低了一个数量级。其自润滑机制是在宽温域下石墨与铜的协同效应。 4.通过添加TiN，制备了一种在宽温域下具有优异摩擦学性能兼具良好力学性能的β-Sialon陶瓷复合材料。TiN的添加不仅可以提高材料的硬度，而且可以有效地改善β-Sialon陶瓷复合材料在宽温域的断裂韧性。当TiN含量为10wt%时，复合材料具有最高的断裂韧性，在室温时高达6.2MPa•m1/2，相较于未添加试样提高了21.1%。与此同时，添加TiN可以有效地改善β-Sialon陶瓷复合材料在宽温域范围内的摩擦学性能。特别是添加30wt%TiN的复合材料在宽温域具有最优的摩擦学性能，摩擦系数在0.46~0.60之间，磨损率比未添加试样降低了一个数量级。 5.以SnO2作为锡源，首次制备了新型的Sialon-Sn陶瓷复合材料，这为制备各组分熔点相差较大的复合材料提供了新的方法。研究发现此方法可实现在较低温度下制备具有优异韧性和摩擦学性能的Sialon-Sn陶瓷复合材料。添加SnO2可使复合材料的烧结温度降低150°C。同时，添加SnO2试样的断裂韧性高达5.5MPa•m1/2，相较于未添加试样提高了19.6%。此外，SnO2的添加可以有效地改善Sialon-Sn复合材料在宽温域范围内的摩擦学性能。特别是添加20wt%锡含量的试样，在800°C时其磨损率相较于未添加试样降低了20倍左右。
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.licp.cn/handle/362003/25297]
专题	中国科学院兰州化学物理研究所
作者单位	1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学
推荐引用方式 GB/T 7714	孙奇春. Sialon陶瓷复合材料的高韧-自润滑一体化设计、制备及其性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2019.