| Si3N4基陶瓷复合材料的原位增韧及其力学、摩擦学性能研究 | |
刘炯杰
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| Thesis Advisor | 乔竹辉 |
| 2020-06-01 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 理学博士 |
| Degree Discipline | 物理化学 |
| Keyword | Si3N4陶瓷，增强增韧，原位增强，减摩抗磨，发汗陶瓷 |
| Abstract | Si3N4陶瓷具有金属和聚合物不可比拟的高硬度、耐磨损、抗腐蚀以及生物相容等特性，被认为是21世纪最具有发展前景的工程材料之一。然而，由很少晶格滑移导致的本征脆性和较差的摩擦学性能始终是限制Si3N4广泛应用的关键因素。本论文以Si3N4基陶瓷复合材料的强韧、减磨一体化设计为总思路，系统研究了原始粉体、烧结工艺、元素掺杂及高温氧化对陶瓷物相组成、微观结构、力学性能和摩擦学性能的影响。利用原位增强和微观结构调控的方法，设计制备了系列高强韧、高抗磨的Si3N4基复合材料，并获得陶瓷增韧的普适性方法。研究论文获得以下结论： 1.以α-Si3N4粉体为原材料，以Al2O3和Y2O3为烧结助剂，通过放电等离子烧结制备了Si3N4块体材料。研究结果表明：放电等离子制备的纯Si3N4陶瓷致密度超过98 %，具备以下力学性能：维氏硬度为15.43 GPa，断裂韧性为5~6 MPa·m1/2，弯曲强度为618 MPa。同时，开展了Si3N4/POM摩擦副在不同工况下的摩擦学研究，重点讨论了速度、载荷以及环境介质（干摩擦、蒸馏水和海水）对配副材料摩擦学性能的影响。结果表明：滑动速度对体系摩擦系数和磨损率的影响要强于载荷对其的影响。在干摩擦条件下，摩擦热的输出导致POM熔化，粘着磨损为主要磨损机理。在水环境中，由于热量的耗散，磨粒磨损为主要磨损机理。此外，与蒸馏水相比，海水具有更好的润滑效果，进而减轻了配副材料的摩擦损伤。 2.开展了软金属掺杂制备Si3N4基陶瓷复合材料的研究。以Si3N4和AgNO3为原材料，通过放电等离子烧结成功制备了Si3N4/Ag复合材料。利用高温配位化学，成功实现Ag原子在Si3N4基体中的原位生成和均匀弥散。由于Ag颗粒的塑性形变以及其对裂纹的桥联、偏折作用，该材料在室温下的断裂韧性达到7.05 MPa·m1/2；摩擦学性能随Ag含量的增加持续改善，在200 °C时摩擦系数低至为0.27。这一工作的重要意义在于，发展了一种以金属盐为前驱体制备陶瓷-金属复合材料的方法，解决了金属特别是软金属在烧结期间由于熔点低易于流出的问题，可解决陶瓷材料增强增韧和减摩抗磨难以兼顾的问题，为陶瓷/金属复合材料的制备提供了新策略。 3.宽温域范围内强韧-润滑一体化Si3N4陶瓷的设计制备。金属相的引入虽然会改善Si3N4的韧性和摩擦学性能，但却不同程度的降低了基体的硬度。基于此，如何增强Si3N4的综合性能就成为研究的新重点。本研究使用Ti3SiC2陶瓷为前驱体，通过原位分解及高温固溶的方法成功制备了Si3N4-TiC0.3N0.7-SiC复合材料。利用硬质相TiC0.3N0.7和SiC的载荷支持，复合材料的硬度和断裂韧性实现宽温域（25~900 °C）下的显著增强。此外，该陶瓷表现出极强的抗磨损性能，其在900 °C时的磨损率低至6.46×10−6 mm3N−1m−1，主要的抗磨机理为TiC0.3N0.7的高温氧化及TiO2氧化膜的保护作用。 4.研究了高温氧化对Si3N4基复合材料力学和摩擦学性能的影响。选取Ti3AlC2为前驱体，经放电等离子烧结制备了Si3N4-TiC0.3N0.7-SiC复合材料。Ti3AlC2的加入能够促进陶瓷的致密化使其相对密度达到99.58%。热力学分析表明，复合材料的起始氧化温度为620 °C，氧化持续了20 min，氧化产物为金红石相的TiO2。由于氧化颗粒的生成，该陶瓷的断裂韧性与氧化前相比得到显著提升，增韧机制不仅有裂纹的分支、桥联和偏折，还存在TiO2对裂纹的互锁作用。经氧化处理，复合材料的摩擦系数和磨损率会进一步降低，主要的磨损机理为TiC0.3N0.7的钉扎效应以及TiO2摩擦膜的保护。这一工作的重要意义在于，探究了MAX相陶瓷原位分解的普适性规律，扩展其作为前驱体的适用范围。 5.新型“发汗”Si3N4高温自润滑材料的设计制备。以Ti、Sn和石墨粉为原材料，通过热压烧结制备了Ti2SnC陶瓷。以Ti2SnC为前驱体，首次将金属Sn以单质的形式引入Si3N4基体中，该复合材料表现出独特的发汗行为。当温度达到400 °C时，Sn单质以小球形式快速析出到陶瓷表面；伴随着摩擦的进行，液态Sn被均匀黏附在滑动配副的表面，起到润滑减摩的作用。在800 °C时，Sn球氧化为SnO2，在滑动配副的碾压下，陶瓷表面形成极厚的SnO2保护膜，最终将Si3N4的摩擦系数和磨损率降低至0.27和4.88×10−6 mm3N−1m−1。与此同时，首次观察到在800 °C时，摩擦诱导下的碳原子重排，研究并阐明了石墨化机理。 |
| MOST Discipline Catalogue | 材料学 |
| Pages | 130 |
| Language | 中文 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/27337 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 刘炯杰. Si3N4基陶瓷复合材料的原位增韧及其力学、摩擦学性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2020. |
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