陶瓷材料具有高硬度和強(qiáng)度,良好的耐腐蝕和抗磨損性能,作為耐磨結(jié)構(gòu)部件在眾多工業(yè)領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)陶瓷材料進(jìn)行增強(qiáng),改善其摩擦學(xué)性能并探究摩擦學(xué)機(jī)理對(duì)于陶瓷材料在摩擦學(xué)中的應(yīng)用具有重要意義。本課題利用液相燒結(jié)原理,使用Al_2O_3和Y2O3作為燒結(jié)助劑,采用熱壓燒結(jié)方法制備得到碳化硅陶瓷,研究了燒結(jié)助劑種類和含量對(duì)其致密度、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響。當(dāng)燒結(jié)助劑Al_2O_3和Y2O3的質(zhì)量比為1:2.5時(shí),隨著Al_2O_3和Y2O3添加量從3.0 wt.%逐漸增加到15 wt.%,SiC陶瓷的致密度、維氏硬度、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性先增加后降低。當(dāng)添加量為10 wt.%時(shí),SiC陶瓷的致密度及力學(xué)性能均達(dá)到最大。致密度為98%,維氏硬度、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分別為26.7 GPa,617 MPa和5.04 MPa·m1/2。在此基礎(chǔ)上添加石墨烯制備了石墨烯增強(qiáng)SiC復(fù)合材料,研究了石墨烯含量對(duì)復(fù)合材料致密度、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律,探究了石墨烯在SiC陶瓷基體中的分散行為以及與基體的結(jié)合方式。研究發(fā)現(xiàn)熱壓燒結(jié)會(huì)導(dǎo)致石墨烯的分布方向存在擇優(yōu)取向,為垂直于加壓方向。當(dāng)石墨烯添加量由0逐漸增加到7 wt.%時(shí),復(fù)合材料的致密度與維氏硬度不斷下降,致密度從98.0%逐漸減小到94.5%,維氏硬度從26.7 GPa逐漸降低到13.8 GPa。石墨烯的分布形態(tài)和各向異性,使得復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性在軸向壓力的垂直方向和平行方向出現(xiàn)明顯的差異。在平行方向彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性隨著石墨烯含量的增加先增加后降低。當(dāng)添加量為3 wt.%時(shí),彎曲強(qiáng)度最大為702 MPa,比未添加石墨烯時(shí)增加了14%;當(dāng)添加量為5 wt.%時(shí),斷裂韌性最大為6.19 MPa·m1/2,比未添加石墨烯時(shí)提高了23%;而在垂直方向,彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性隨著石墨烯含量的增加而降低。復(fù)合材料主要的增韌機(jī)制為石墨烯的拔出和橋接以及裂紋的偏轉(zhuǎn)。探究了使用SiC、Al_2O_3和Si3N4三種對(duì)磨球以及不同載荷下,基體SiC陶瓷與添加不同含量石墨烯的復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。SiC陶瓷的磨損機(jī)制主要為脆性斷裂與磨粒磨損,載荷增加時(shí),SiC陶瓷的磨損程度加劇。當(dāng)與SiC和Si3N4對(duì)磨球?qū)δr(shí),在高載荷下磨損表面發(fā)生氧化,生成較多的氧化產(chǎn)物。氧化產(chǎn)物被壓實(shí)在磨損表面從而降低了摩擦系數(shù)和磨損率。添加石墨烯后,復(fù)合材料的耐磨性提高,復(fù)合材料的磨損機(jī)制主要為脆性斷裂與剝層磨損。一方面石墨烯添加到復(fù)合材料中可以增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能,抑制陶瓷晶粒的剝離,減弱磨損過(guò)程中由磨屑引起的微切削。另一方面在摩擦?xí)r石墨烯和剝離的磨屑共同形成一層釉層,石墨烯可以減小釉層上的摩擦應(yīng)力,磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)閯儗幽p,降低了復(fù)合材料的摩擦系數(shù)和磨損率。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ174.758.2
【部分圖文】：

圖 1-1 Si-C 二元相圖與 SiC 晶體結(jié)構(gòu)[17]：a) Si-C 二元相圖；b) SiC 晶體結(jié)構(gòu)iC 主要有兩種結(jié)晶形態(tài)：α-SiC 和 β-SiC。β-SiC 又稱為 3C-SiC，為面型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù) a=0.4359 nm。α-SiC 是 SiC 的高溫型結(jié)構(gòu)，屬六方、15R 和 6H 等 100 余種多型體[18]。在不同溫度下，SiC 的結(jié)晶形態(tài)體之間的熱穩(wěn)定性關(guān)系也不同。其中 β-SiC 晶型為低溫穩(wěn)定晶型，當(dāng)

圖 1-2 常見(jiàn)的 SiC 原子堆垛示意圖[18]SiC 陶瓷燒結(jié)過(guò)程中主要的傳質(zhì)機(jī)理有：蒸發(fā)與凝聚、粘滯流動(dòng)、表面擴(kuò)散、界或晶格擴(kuò)散和塑性變形等[19]。Si-C 強(qiáng)共價(jià)鍵會(huì)導(dǎo)致晶格擴(kuò)散和表面擴(kuò)散等固傳質(zhì)速率很慢，這就造成純 SiC 粉依靠以擴(kuò)散傳質(zhì)為主的固相燒結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)致密需要高溫并且長(zhǎng)時(shí)間保溫。而氣相傳質(zhì)的本質(zhì)就是升華再凝結(jié)為固體的過(guò)程，

圖 1-3 氧化物與碳化硅作用分布[30]O3體系可形成三種共晶化合物，可供選擇的燒結(jié)的 SiC 陶瓷的性能有所差異。因此 SiC 陶瓷性能的影響進(jìn)行了研究。此前結(jié)時(shí)通過(guò)反應(yīng)生成更穩(wěn)定的YAG來(lái)降低
【參考文獻(xiàn)】

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