Nb掺杂Al2O3/Ti3SiC2复合材料的力学及抗氧化性能研究

作     者：于金满 

作者单位：济南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王志

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Nb掺杂 Al2O3/Ti3SiC2 真空热压烧结 力学性能 抗氧化性能 

摘      要：AlO/TiSiC作为一种优异的复合材料,兼具了基体材料TiSiC良好的导电性、导热性、断裂韧性、抗热震性以及AlO高硬度、高强度、耐高温、抗氧化性好等优点。但作为高温结构材料使用,其力学及抗氧化性能有待提升。基于Nb掺杂可提高复合材料中TiSiC抗氧化性能的研究现状,本文采用真空热压烧结法制备Nb掺杂AlO/TiSiC复合材料,通过力学性能测试和标记氧化实验,结合XRD,SEM,EDS等分析,研究Nb掺杂对AlO/TiSiC复合材料物相组成、微观结构、力学及抗氧化性能产生的影响和作用机理,选择出性能最佳的Nb掺量,使AlO/TiSiC复合材料在未来的应用中可以适应更加复杂的服役环境。采用真空热压烧结法,在1450℃,30 MPa,保温保压1 h的工艺下制备AlO:TiSiC体积比为4:6,Nb掺量为0,1,2,3,4,5 vol.%的六组样品0-5。对比掺Nb前后各样品的显微结构及力学性能,发现Nb掺杂改变了复合材料的物相组成,原因是AlO/TiSiC复合材料中Ti-Si键结合力最弱,在高温高压下易断裂,游离出的Si优先与Nb结合生成NbSi,基体中部分增韧相TiSiC在缺失Si后解构重组成TiSi和增强相Ti C,减少了TiSiC桥接形成的额外孔隙,导致AlO/TiSiC复合材料的显气孔率降低,结构更加致密,弯曲强度和硬度大幅提高,断裂韧性小幅降低。与空白样品0相比,Nb掺量为5 vol.%的样品5显气孔率降低31.4%,硬度增加8.1%,抗弯强度提高23%,断裂韧性下降4%。就力学性能而言,本实验中最佳Nb掺量为1 vol.%,相比空白样品,样品1的显气孔率降低10.5%,硬度增加2%,抗弯强度提高9.7%,断裂韧性仅下降0.2%,可以在保持复合材料断裂韧性的同时提高弯曲强度和硬度。将样品制成边长5 mm的立方体,表面喷金作为原位标记,在1400℃空气中进行氧化实验。对比各样品氧化15 h后的氧化层组织结构及抗氧化性能,发现Nb的掺杂使复合材料的氧化层由内外双层变为一层更薄的混合层,结构更加致密,样品5比样品0单位面积氧化增重减少了93.9%,氧化层厚度下降了70.4%。分析其原因是Nb掺杂使AlO/TiSiC复合材料在氧化后产生新相NbO,该相与TiO生成Ti空位,消耗了基体中的Ti间隙和O空位,令富集于样品表面的Nb起到扩散障的作用,在抑制Ti原子向外扩散的同时降低O原子继续向内扩散的速率,所以本实验中0-5 vol.%范围内的Nb掺杂会增强AlO/TiSiC复合材料的抗氧化性能。