振荡压力烧结制备碳化硅基陶瓷材料及其力学与摩擦学性能研究

作     者：杨一凡 

作者单位：武汉科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱天彬

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：碳化硅陶瓷 振荡压力烧结 显微结构 力学性能 耐磨性 

摘      要：SiC陶瓷具有优异的高硬度、高强度、低密度等性能,广泛应用于滑动轴承、机械密封圈、汽车水泵圈等耐磨领域。然而,作为一种共价键结合的结构材料,SiC陶瓷难以烧结致密及高脆性缩短了其服役寿命。以往的研究工作多采用恒定压力烧结和引入第二相来促进材料致密化和强韧化,但仍存在难以完全致密烧结和协同增强增韧SiC基陶瓷的问题。同时,SiC陶瓷在服役过程的摩擦磨损严重,对于如何调控SiC基陶瓷耐磨性的影响因素还缺乏系统地研究。针对上述问题,本论文采用动态振荡压力烧结技术,首先研究二维碳材料-石墨烯纳米片(GNPs)对SiC陶瓷显微结构及力学性能的影响;随后引入一维材料-碳化硅晶须(SiCw)为增强相来提升SiC陶瓷的强度和韧性;在此基础上,复合添加GNPs和SiCw为增强相,探讨SiC基陶瓷的力学性能与强韧化机理;最后,系统研究SiC基陶瓷的摩擦学性能和磨损行为,揭示材料的摩擦磨损机理。研究工作主要包括GNPs和SiCw单一或复合添加对SiC基陶瓷致密化行为、显微结构、力学及摩擦学性能的影响,并揭示其强韧化与摩擦磨损机理。通过上述研究工作,可以得出以下结论:1.添加1 wt%GNPs有效改善了SiC基陶瓷的力学性能。GNPs的引入,一方面发挥其自润滑作用促进了材料的致密化,另一方面通过细化晶粒和产生更多的裂纹桥接、裂纹偏转以及GNPs拔出有效抵抗裂纹的产生与扩展,制备的SiC-1 wt%GNPs复合材料具有最佳的力学性能,其维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为27.84 GPa、7.11 MPa·m和515 MPa。2.SiCw和GNPs的复合引入显著促进了SiC基陶瓷材料的强韧化。SiC-6 wt%SiCw复合材料相对密度为99.45%,其断裂韧性和抗弯强度分别为6.66 MPa·m和733 MPa;材料中晶粒长径比的增加以及SiCw的载荷转移作用有效提升了材料强度。此外,SiC-1 wt%GNPs-5 wt%SiCw陶瓷材料具有最佳的力学性能,其维氏硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为31.55 GPa、7.32 MPa·m和742 MPa;主要的增韧机制为裂纹的偏转、桥接以及GNPs与SiCw的桥接等。3.GNPs良好的自润滑效果和SiC基陶瓷材料强韧化的提升显著增强了材料耐磨性。外加载荷的增加(20～60 N)导致材料脆性剥离和磨粒磨损的出现,摩擦应力以及材料表面粗糙度的增加加大了磨损率;滑动速度的增加(2～6 m/min)使得材料磨损表面温度的升高以及磨损接触面积的减少,进一步降低了材料耐磨性;不同摩擦副(GCr15、SiN、SiC、YG6和TC4)对材料的磨损率影响变化可归因于摩擦副与材料硬度的差异。SiC-1 wt%GNPs-5 wt%SiCw陶瓷材料在与GCr15球循环往复干摩擦过程中具有最佳的摩擦学性能,摩擦系数低至0.52,磨损率为3.28×10mm·N·m。