（材料学专业论文）ti3sic2sic复相陶瓷的制备及其性能研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文 第1 页 摘要 本文采用热等静压原位合成技术和过渡塑性相工艺，以 1 i t 2 、s i c 和石墨 粉为原料，制备了不同s i c 含量的t i 3 s i c 2 s i c 复相陶瓷，为扩展t i i c 2 的应 用提供了新的思路。通过x 射线衍射、光学显微分析，分析了t i 3 s i c 2 s i c 复 相陶瓷材料的物相组成、晶粒大小、晶粒形貌和断裂机制。通过对其密度、显 微硬度、断裂韧性、摩擦磨损性能和抗氧化性能的测试，分析了t i 3 s i c 2 s i c 复相陶瓷材料的性能，表明了t i 3 s i c 2 s i c 复相陶瓷材料具有好的综合性能， 能够作为高温结构材料。 热等静压原位合成的s i c 含量为3 、4 、5 、7 m o l 的t i 3 s i c 2 s i c 复相陶瓷 具有很好的致密度，相对密度都达到了9 8 5 以上。s i c 含量为1 0 m o l 的 t i 3 s i c z s i c 复相陶瓷由于在热等静压作用下t i 3 s i c 2 不能形成连续的网络结构， 不能完全致密化，相对密度只达到9 0 4 。 x r d 分析结果表明：t i 3 s i c 2 s i c 复相陶瓷主要存在t i 3 s i c 2 、s i c 相和少 量的t i c 相。显微硬度和断裂韧性的测量结果表明：复相陶瓷的显微硬度随 s i c 含量的增加而增大，最大为1 4 1 g p a 。断裂韧性随s i c 含量的增加而减小， 最高为7 2 4 m p a m ”。导电性能测试结果表明：随s i c 含量的增加导电率降低， 试验得到的电阻率与理论计算结果吻合。 t i 3 s i c 2 s i c 复相陶瓷的摩擦磨损性能的测试在环块式试验机上进行，比较 研究了在不同配副，不同载荷，不同润滑状态下的摩擦磨损行为，并对比了不 同s i c 含量的复相陶瓷4 5 号钢摩擦副在3 0 0 n 载荷，干摩擦条件下和5 0 0 n 载 荷，油润滑条件下的摩擦磨损行为。t i 3 s i c 2 s i c 复相陶瓷在于摩擦条件下摩擦 系数较小，磨损率高。在油润滑条件下摩擦系数和磨损率都非常小。复相陶瓷 的磨损主要是由于微断裂引起的。 研究了t i 3 s i c ，j s i c 复相陶瓷在不同温度，不同气氛下的氧化行为，并结 合了高温原位观察和x r d ，分析了复相陶瓷的氧化机理，得出：复相陶瓷的 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 高温氧化动力学曲线符合抛物线规律，随温度的升高，氧化抛物线速率常数增 大。在不同气氛下的氧化和氧分压有关，氧分压越大，相同条件下氧化增重越 大。对比不同s i c 含量的t i 3 s i c 2 s i c 复相陶瓷在1 2 0 0 。c 温度下的氧化行为， 复相陶瓷的单位面积的氧化增重随s i c 含量的增加而减小，都具有比纯髓3 s i c 2 好的抗氧化性能。计算得出了7s i c 和3 s i c 复相陶瓷的激活能分别为2 0 8 1 2 9 k j t o o l ，2 1 9 5k j m o l 一，比纯t i 3 s i c 2 的激活能小。表面氧化膜是由非晶态的 s i 0 2 和晶态的t i 0 2 、s i 0 2 混合构成，能够阻碍扩散的进行，使复相陶瓷具有 好的抗氧化性。 关键词：热等静压：t i 3 s i c 2 s i c ；抗氧化性；摩擦磨损；原位合成；高温塑性 相工艺 西南交通大学硕士学位论文 第页 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t i 3 s i c 2 s i cm u l t i p h a s ec e r a m i c sc o n t a i n i n gd i f f e r e n tc o n t e n t so f s i ca r ef a b r i c a t e dw i t ht i h 2 ，s i ca n dg r a p h i t ep o w d e r sb yi ns i t us y n t h e s i su n d e r h o ti s o s t a t i cp r e s s i n g ( h i p ) a n dt r a n s i e n tp l a s t i cp h a s ep r o c e s s i n g ( t p p p ) t op r o v i d e n e wi d e a lf o rt h ea p p l i c a t i o no ft i 3 s i c 2 p h a s e ，g r a i ns i z e ，g r a i na p p e a r a n c ea n d f r a c t u r em e c h a n i s mo ft i 3 s i c 2 j s i cc o m p o s i t e sa r ei n v e s t i g a t e db yx - r a yd i f f r a c t i o n ， o p t i c a lm i c r o s c o p e t h ep e r f o r m a n c e so ft i 3 s i c 2 s i cc o m p o s i t e sb y i ns i t u s y n t h e s i su n d e rh o ti s o s t a t i cp r e s s i n g ( h i p ) w a ss t u d i e dv i at h et e s tr e s u l t so n t h e i rd e n s i t i e s ，m i c r o - h a r d n e s s ，f r a c t u r et o u g h n e s s ，p r o p e r t i e so ff r i c t i o na n dw e a r , a n dt h er e s i s t a n c eo fo x i d a t i o n t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt i 3 s i c z s i cc o m p o s i t e s h a sg o o do v e r a l lp e r f o r m a n c ef o rh i g ht e m p e r a t u r es t r u c t u r a lm a t e r i a l 。 t i s s i c 2 s i cc o m p o s i t es a m p l e sc o n s i s t i n go f3 , 4 ，5 ，7 m o ls i ca r ef u l ld e n s ea n d t h er e l a t i v ed e n s i t i e sa r e b e y o n d9 8 5 t i 3 s i c g j s i cc o m p o s i t e su n d e r h i p c o n s i s t i n go f1 0m o ls i c ，i nt h i sw a y , t i 3 s i c 2c a nn o tf o r ms u c c e s s i v en e ts h a p e a n db ef u l l yc o m p a c t s ot h er e l a t i v ed e n s i t yo fs a m p l ec o n s i s t i n g1 0 r e e ls i co n l y r e a c h e s9 0 4 t h ex r dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em a j o rp h a s e so ft i 3 s i c j s i cc o m p o s i t e sa r e t i 3 s i c 2a n ds i c a n daf e wt i cp h a s e s b a s i c a l l y , i ta c c o r d sw i t ht h er e s u l t s d e s i g n e d t h er e s u l t sm e a s u r e df o rm i c r o - h a r d n e s sa n df r a c t u r et o u g h n e s sh a v e b e e nd e m o n s t r a t e dt h a tt h em i c r o h a r d n e s so fc o m p o s i t e sc e r a m i c si n c r e a s e sa l o n g w i t hc o n t e n t so fs i ca n dm a x i m u mi s1 4 1 g p a c o m p a r a b l y , t h ef r a c t u r et o u g h h e s s d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gs i ca n dm a x i m u mi s7 2 4m p a m m t h ec o n d u c t i v i t yo f c o m p o s i t e sd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go f s i c i ti si d e n t i c a lw i t hr e s u l to ft h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n t h et e s t so ff r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so ft i 3 s i c 2 s i cc o m p o s i t e sw e r e 西南交通大学硕士学位论文 第1 v 页 c a r r i e do u tu s i n gb l o c k - o n - r i n gt y p et e s t e st oc o m p a r a b l yr e s e a r c ht h ef r i c t i o na n d w e a rb e h a v i o r si nd i f f e r e n tp a i r s , l o a d s ，a n dl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n s t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n to ft i 3 s i c z s i cc o m p o s i t e si sr e l a t i v e l yl o wa n dw e a rr a t ei sq u i t eh i g h d u r i n gd r ys l i d i n g ，o nt h eo t h e rh a n d ，l o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dw e a r r a t ed u r i n g l u b r i c a t e ds l i d i n g t h ew e a rm e c h a n i s mi sc o n s i d e r a b l yc a u s e db ym i c r o f r a c t u r e t h eo x i d a t i o nb e h a v i o r so ft i 3 s i c 2 s i cc o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s a n da t m o s p h e r e sh a v eb e e nd i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h eo x i d a t i o nm e c h a n i s mo f t i 3 s i c 2 ，s i cc o m p o s i t e sw a sa n a l y z e dw i t hi ns i t uo b s e r v a t i o na th i g ht e m p e r a t u r e a n dx r d i ti sc o n c l u d e dt h a tt h eh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o nd y n a m i c sc u r v eo f m u l t i p h a s ec e r a m i c so b e y e dap a r a b o l i cl a wf r o m8 0 0 t o1 4 0 0 w h i l e t e m p e r a t u r er i s i n g ，t h eo x i d a t i o np a r a b o l i cr a t ec o n s t a n t l yi n c r e a s e d i nt h ed i f f e r e n t a t m o s p b o r e s ，o x i d a t i o nc o u l db er e l a t e dw i t ho x i d ep r e s s u r e i nt h e s a m ec a s e ， o x i d a t i o nm a s sg a i nr i s e sw i t h i n c r e a s i n g t h eo x i d ep r e s s u r e c o m p a r i n gt h e o x i d a t i o nb e h a v i o r so ft i 3 s i c 2 s i cc o m p o s i t e sw i t hd i f f e r e n ts i ca t1 2 0 0 。c ，t h e g r o w t ho ft h eo x i d es c a l eo nt i 3 s i c 2 s i cc o m p o s i t e sp e r a r e ad e c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n gi nt h ec o n t e n t so fs i c i ti sd e m o n s t r a t e dt h a t t h eo x i d a t i o nr e s i s t a n c e p r o p e r t yo fa l lt i 3 s i & z s i cc o m p o s i t e si sb e t t e rt h a nt h a to fp u r et i 3 s i c 2 t h e c a l c u l a t e da c t i v a t i o ne n e r g e so f7 s i ca n d3 s i cc o m p o s i t e sa l e2 0 8 1 2 9 k j m o l 一1 a n d2 1 9 5k j m o l r e s p e c t i v e l y , a n dl e s st h a na c t i v a t i o ne n e r g yo fp u r et i 3 s i c 2 t h eo x i d es c a l ec o m p o s e do ft i 0 2 ，s i 0 2 9 r a i n sa n da m o r p h o u ss i 0 2c a nh i n d e rt h e d i f f u s i o np r o c e s s ，a n dr e s u l t si ng o o do x i d a t i o nr e s i s t a n c e k e yw o r d s ：h o ti s o s t a t i cp r e s s i n g ( h p ) ；t i 3 s i c z s i c ；o x i d a t i o nr e s i s t a n c e ； f r i c t i o na n dw e a r ；i n s i t us y n t h e s i s ；t r a n s i e n tp l a s t i cp h a s ep r o c e s s i n g ( t p p p ) 西南交通大学硕士学位论文 第1 页 第一章前言 1 1 引言 随着科学的发展与工业技术的进步，传统的金属材料及高分子材料越来越 不能满足现代科技应用的发展。而陶瓷材料因具有非常多的优点，如耐高温、 耐腐蚀、耐磨损、抗氧化、高强度等，在高温、腐蚀等环境下使用更能充分显 示其优越性。但陶瓷材料存在脆性大、韧性低和难以机械加工的缺陷，这些问 题一直制约着陶瓷材料的进步发展。近年来，人们对克服陶瓷材料的脆性， 提高其韧性和强度进行了大量的研究工作，通过各种途径来提高陶瓷材料的韧 性，如纤维或晶须增韧、颗粒弥散增韧和z r 0 2 应力诱导相变增韧，取得了可 喜的成果，但亦存在工艺复杂、成本昂贵和性能提高幅度有限等问题。传统改 善陶瓷材料机械加工性能的方法是在陶瓷基体中引入弱的结合界面，这种方法 虽然提高陶瓷材料的可加工性，但同时亦降低了材料的力学性能和使用的可靠 性。 近年来，一类具有层状结构的三元碳化物或氮化物陶瓷因同时具有金属和 陶瓷的优良性能受到了材料研究者的广泛重视。和金属一样，在常温下，有很 好的导热性能和导电性能，有较低的维氏硬度和较高的弹性模量和剪切模量， 可以像金属和石墨一样进行机械加工，并在高温下具有塑性；同时，它具有陶 瓷材料的性能，高屈服强度，高熔点、高热稳定性和良好抗氧化性能；更有意 义的是它们有优于石墨和m o s 2 的自润滑性能。这些层状陶瓷的化学通式1 1 】为 m 。+ l a x 。，其中m 为靠前面的过渡金属元素( 如面，v 等) a 多为i 和族元 素，x 为c 和n 。m 。+ l a x 。化合物的种类是很多的，到目前为止，已经发现了 几十种这样的化合物。这类化合物的典型代表是t i 3 s i c 2 ，因可作为高温结构材 料、自润滑材料及电极材料等而得到广泛的应用。 1 2t i 。s i c 。的结构 西南交通大学硕士学位论文第2 页 w o l f g a n g 等1 2 】测量了t i 3 s i c 2 的晶体结构，它属六方晶系，晶格参数为 a = o 3 0 5 7 n m ，c = 1 7 6 9 n m 。图1 - 1 为t i 3 s i c 2 的结构简图1 3 】从图中可以看出：共 棱的c t i 6 八面体被平面的平行四边形s i 原子层所分隔，每一个晶胞中含有两 个t i 3 s i c 2 分子。k i s i 和b a r s o u m 等【4 】用中子衍射准确测定了t i 3 s i c 2 晶胞的参 数和晶体中各原子间的键长及键角。通过对面原子、c 原子和s i 原子间的距 离与相应的键长相比较，得知面c 为共价键结合，因而结合键力较强，使材 篓s it罴i 。网1 - q t i s i c 部及原子与 原子之间为弱键结合，矗_ = 曩1 1 ：t 因而使 32 具有类似于石墨的层状c 昌斗爿_ ， i 熏ii1967 j e i t s c h k o n o w o m y i t i h 2 s i2 0 0 0 一n y t i 1 3t 。sc ：的合成与制备研究 p v b 重：l 现状l ：卉、灿 自从年和 2 1 i ：l 圹l 以气态 、 和石墨为原料，在t_ i 吓1 裟麓淼主篇三一蜡 t i 3 s i c 2 。许多研究者分别通过了不同的一：i ! ： 西南交通大学硕士学位论文 第3 页 的理论密度相一致，其中平行于沉积表面的( 1 1 0 ) 平面为优先取向。还发现 t i 3 s i c 2 的v i c k e r s 硬度与所用载荷密切相关，当载荷由l o g 增加到l o o g 时，相 应v i c k e r s 硬度由1 3 0 0 加l n l 2 降到6 0 0 k g m m 2 。当载荷继续增大到1 k g 时， 其v i c k e r s 硬度不再降低保持在6 0 0 k g m m 2 。而且观察庄痕还可以看到因塑性 变形而引起的滑移线。 p a m p u c h 等眦7 ”以固态t i 、s i 、c 粉末为原料用自蔓延高温合成方法在 a f 气氛中于1 0 5 0 1 2 0 0 c 燃烧成功制备了砸3 s i c 2 陶瓷材料，但这种方法的合 成温度难以控制，反应程度也难以控制，制得的陶瓷材料的主晶相为t i 3 s i c 2 ， 同时也有少量的t i c 或s i c 或砸s i c 系统中其他一些亚化学计量化合物如 t i q 、t i s i 。存在，材料的相对密度不超过9 5 。 b a r s o u m 等【9 】以t i 、s i c 和石墨粉末为原料，经1 8 0 m p a 冷压后，在1 6 0 0 温度下，4 0 m p a 压力下热压4 h 。得到了高纯、致密的t i 3 s i c 2 陶瓷试块。其 内部无气孔，相对密度达9 9 以上，使用x r d 分析样品中仅含有t i 3 s j c 2 相， 使用背散射分析仍含有s i c 、面c x 等杂质，但含量小于2 ，测得的密度为 4 5 9 c m 3 r a d h a k l i s h n a n 等【1 0 1 的研究表明，以、s i 和c 为原料在以钨丝作为发热 源的热阻炉内于1 3 5 0 c 反应5 h 可得到t i 3 s i c 2 含量高于9 8 的产品。在合成 t i 3 s i c 2 的反应过程中，s i 易挥发，而石墨坩埚的c 会向样品中扩散并导致c 的增加。因而他们通过偏离t i 3 s i c 2 化学计量的组成( 多加硅，使硅过量) ，来 制备t i 3 s i c 2 材料。 g a o 等f 1 1 】以t i 、s i c 和c 粉为原料，在1 5 0 0 c 的温度，4 0 m p a 的压力下 利用反应热等静压保温3 0 分钟合成了致密的t i 3 s i q 陶瓷试块，制得的陶瓷试 块中砸3 s i c 2 含量达9 7 ，相对密度达9 9 ，试样中的t i 3 s i c 2 颗粒呈圆柱状 或板状形态，颗粒相互搭结形成网状结构，同时在t i 3 s i q 的( 0 0 1 ) 面上存在 很多的缺陷。 s u n1 1 2 】等用t i 、s i 和石墨粉为原料并加入4w t 的f ，在通a r 气的硅 西南交通大学硕士学位论文第4 页 碳管炉，于1 2 5 0 的温度下保温2 h ，主要产物为t i 3 s i q 和t i c ，所得样品中 t i 3 s i c 2 的含量可达8 1w t 。他们认为在钛、硅、碳系统中，化合物的形成顺 序为t i c ，t i s s i 3 ，t i s i 2 ，t i 3 s i c 2 ， s i c 。 朱教群等1 1 3 以t i c 、t i 、s i 、a 1 和c 粉为原料，采用放电等离子烧结工艺制 备了面3 s i c 2 材料。结果表明：当以元素单质粉为原料时，掺加适量灿作为助剂， 采用起始配比为n f f i ) ：n ( s i ) ：n ( a j ) ：n ( q = 3 ：( 1 2 - x ) ：x ：2 ，其q b x = o 0 5 0 2 时，能加 快t i 3 s i c 2 的反应合成和晶体生长速度，显著提高制备材料的纯度。当x = 0 2 时， 应用x 射线衍射、扫描电镜并结合能谱仪( e d s ) 表征：在1 2 0 0 1 2 5 0 c 经放 电等离子烧结，成功制备出密度为理论密度的9 8 以上的致密、高纯t i 3 s i c 2 材料。 a r u n a j a t e s a n 等【1 4 】利用雨、s i 、c 混和混合粉经电弧熔化来制备t i 3 s i c 2 陶 瓷，首先将这种混合粉预压成球状，然后在氩气的保护气氛中电弧熔化，并在 真空管中加热，电弧熔化工艺引起了s i 与c 的流失，但是制得的t i 3 s i c 2 样 品非常均匀，这种样品经过氢氟酸处理，清除掉t i s i 2 相，就得到9 9 纯相的 t i 3 s i c 2 粉末。 r a c a u l t 等【1 5 1 提出物理一化学合成工艺来制备t i 3 s i c 2 ( 这种材料含有5 w t t i c ) ，其工艺如下：1 把符合实验要求( 所选材料的粒度、纯度等) 的面、 s i 和石墨粉装入真空管中，在1 1 0 0 c 的温度下加热1 h ，取出样品；2 用氢氟 酸处理该样品，除去t i s i 2 相：3 将样品在4 5 0 c 保温1 0 h ，把表面生成t i 0 2 的 样品放入硫酸与硫酸胺的混合液中，除去t i 0 2 ，从而得到含有少量t i c ( 5 w t t i c ) 的t i 3 s i c 2 粉末。 尽管能使用多种原料组成和通过多种制备方法来合成t i 3 s i c 2 陶瓷试样， 但这些试样中或多或少的存在一些碳化物或硅化物杂质。因而制各纯净的 t i 3 s i c 2 陶瓷材料还是具有一定的难度。 1 4t i 。s i c ：陶瓷的应用前景 t i 3 s i c 2 材料结合了金属和陶瓷的许多优良性能，决定了其在机电、仪表、 西南交通大学硕士学位论文第5 页 冶金、化工、汽车、船舶、石化、航天、国防等领域具有广泛的应用。 好的抗氧化能力、抗热冲击性、高屈服点、相对低的密度，以及好的综合 机械性能符合轴承、涡轮叶片和锭子的使用环境，是高温发动机理想的候选材 料。 好的可加工性，使其可进行打孔、切削等机械加工，因而可用于制备复杂 的结构材料，代替一般的可加工性陶瓷。 好的抗热冲击性和高温导电导热性能的组合使其可运用于一般合金熔化 的优选材料，特别是舢的熔化。 良好的导电、导热性能，及高强度、耐氧化、低摩擦系数和良好的自润滑 性能，因此，完全可以代替石墨作为新一代电刷和电极材料。瞿洪祥等【1 6 】研究 了t i 3 s i c 2 材料在机车受电弓滑板中的应用，并与碳基、铜基及铁基材料进行 了全面的比较，研究表明t i 3 s i c 2 材料是理想受电弓滑板的使用材料，是后者 不能与之相比的。 好的导电率、导热率作为弥散强化相，既有助于强化金属材料，又对金属 材料的电学性能、热学性能影响较小，适合制备高强度、高导电率的电缆材料。 最近有报道利用t i 3 s i c 2 材料作为弥散强化相来强化铜基材料。 有比石墨和二硫化铝更低的摩擦系数和良好的自润滑性能，又有很好的酣 蚀、抗氧化和导热性，非常适用于制造在高温、化学腐蚀条件下工作的各类减 磨构件，如化学反应釜用的搅拌器轴承、气氛热处理炉用的风扇轴承以及特殊 机械密封件，从而简化复杂的水冷结构。同时导热系数随温度的升高而不下 降1 1 刀，可作为热交换器。 1 5t i 。s ic 2 陶瓷材料作为高温结构材料所具备的性能 为了满足使用的要求，t i s s i c 2 陶瓷材料作为高温结构材料应该具备以下一 些性能：可加工性能、好的抗氧化性能、高的化学稳定性能、低的挥发性、抗 高温蠕变的能力、有足够的强度和良好的抗热震性。 1 5 1 可加工性能 西南交通大学硕士学位论文第6 页 t i 3 s i c 2 最引入注目的性能之一就是其具有非常好的可加工性能。通常使用 的高速钢刀具在无润滑条件下就可以方便地车削、钻孔，加工出尺寸精确的螺 纹，甚至用手工锯条就能进行切割【1 8 1 。b a m o u m 等【1 9 l 用通常使用的高速钢钻不 用润滑就可以在试样上钻孔，这个孔很容易手工攻丝得到精确的内螺纹。切削 时的感觉象石墨一样，这使我们相信材料是可以自润滑的。同时由于t i 3 s i c 2 有高的导电率，也能够方便的使用放电加工( e d m ) 。 1 5 2t i ，s ic 2 陶瓷材料的抗氧化性能 t i 3 s i c 2 陶瓷材料作为高温结构材料，抗氧化性能是其最为主要的标准。很 多研究人员对其抗氧化性能进行了研究但所得到的氧化行为具有一定的差异， 这种差异归结于材料的不同制造技术、材料中不同的杂质，以及不同的微观结 构。另外，也归因于在不同氧化条件下的不同研究方法。 r a c a u l t 等胁研究了砸3 s i c 2 粉末在流动氧气环境下的氧化行为，研究显示 在1 0 5 0 到1 2 5 0 温度区间内t i 3 s i c 2 的氧化速率低于t i c ，t i 3 s i c 2 粉末几乎 全部被氧化成为t i o ：和s i o ：。b a r s o u m 和e l - r a g h y 等”研究了热压、热等静压 所制备含2 v 0 1 t i c 的块体t i 3 s i c 2 材料在9 0 0 1 4 0 0 c 的温度区间内、在空气条 件下保温5 0 0 m i n 的氧化行为，得出结论：氧化过程质量增加与时间的关系呈抛 物线。当从9 0 0 ( 2 井高到1 4 0 0 ( 2 时，氧化的速度常数从1 x 1 矿k g 一s 。1 增加到1 1 0 1 k 9 2 m - 。s1 ，计算由热压、热等静压制得的样品的氧化活化能分别为3 7 0 ， 3 2 0 k j m o l 。氧化层的物相分析表明，氧化层由两层组成，内层为s i q ，t i o ：， 外层为纯金红石。氧化过程的动力学模型为氧的向内扩散和碳及钛的向外扩 散、材料中t i c 的含量明显影响其氧化性能。热等静压制备的t i 5 i c ：陶瓷由于 比热压制备的t i c 含量低因而抗氧化性能也比热压的好。r a d h a k r i s h n a n 等“” 研究了多晶t i 3 s i c 2 材料( 含2 m 0 1 t i c ) 在1 0 0 0 。c 氧化5 0 h 的氧化行为，表明氧 化行为遵循抛物线规律，但其抗氧化性能不好。 s u n 等。2 3 研究了含7 w t t i c 的砸3 s i c 2 陶瓷在9 0 0 ( 2 1 3 0 0 c 的空气中的等温 氧化行为。9 0 0 c l 1 0 04 c 温度区间内氧化增重服从抛物线规律。而在1 2 0 0 西南交通大学硕士学位论文笫7 页 1 3 0 0 2 2 ，是两段抛物线过程。氧化层由两层组成，内层为晶粒细小的s i o ：、t i o 。 的混合物，外层为晶粒粗大的t i o 。层。此外，氧化物膜在1 1 0 0 2 2 包含了不连续 的s i o ：栅层和嵌入在外部的t i 0 ：层。面3 s i c 2 上形成的膜在循环氧化期间是致密 的，粘性好的，有很好的黏合度。 刘光明1 等研究了t i 3 s i q 三元层状陶瓷材料在9 0 0 2 2 和1 0 0 0 o 下e l d n a s 0 4 盐膜引起的热腐蚀行为，研究表明：腐蚀膜由t i o 。和s i 0 ：混合组成，在结构上 明显地分成两层，外层晶粒粗大多孔，内层晶粒细小且致密，这与在空气中氧 化的情形不同，无论外层还是内层都是由t i 0 2 和s i 0 ：组成。t i 3 s i c 2 与熔融盐接 触时遭受严重的腐蚀。他们还利用循环氧化和声发射技术研究了t i 3 s i c 2 陶瓷材 料氧化膜的抗剥落和氧化膜的开裂行为。结果表明：t i 3 s i c 2 有良好的抗循环氧 化性能。腐蚀产物分成明显的两层，外层成分为t i 吼，内层为t i 仉和s i 0 。的混合 物，内层有明显的贯穿性纵向裂纹，生长应力不会导致氧化膜破裂，而热应力 导致氧化膜破裂。 t o n g 等人1 通过热压法合成了t i 3 s i c 2 s i c 复合材料，研究了纯1 1 3 s i c 2 和 啊3 s i c j s i c 复合材料在1 0 0 0 2 2 下的流动空气中氧化1 0 h 的氧化行为。表明由于 t i 3 s i c 2 s i c 复合材料中s i 所占比例提高，其抗氧化性优于纯t i 3 s i c 2 材料。刘光 明等“5 1 采用固体粉末包埋法在目3 s i c 2 陶瓷上渗s i ，研究了渗s i 涂层的抗高温氧 化性能，表明：渗硅层主要由t i s i 和s i c 组成，在空气中氧化时形成t t i o 。和s i0 2 的混合氧化物膜。渗硅样品在1 1 0 0 2 2 和1 2 0 0 c 下的恒温氧化速率比t i 3 s i c 2 降低 了2 3 个数量级，1 1 0 0 c 温度下的抗循环氧化性能也优于t i 3 s i c 2 。但由于渗硅 层中存在裂纹，循环过程中当裂纹贯穿整个渗硅层时，涂层的氧化速度开始增 加，其保护作用逐步退化。在1 1 0 0 2 2 下空气中循环氧化时，经4 0 0 次循环后涂 层己基本失效。 研究表明：砸3 s i c 2 不同于一般的层状结构材料如石墨、b n 等，具有较好的 高温抗氧化性能，可以满足高温结构材料的使用要求。同时通过制备复合材料 或涂层的方法在t i 3 s i c 2 中引入s i 原子能提高其抗氧化性。 西南交通大学硕士学位论文 第8 页 1 5 3 高温稳定性 很多文章啪2 ”报道了t i 3 s i c 2 在1 4 0 0 c 以上时是不稳定的，容易分解为t i c ， 和气态硅。但b a r s o u m 等“”认为t i 3 s i c 2 在1 6 0 0 可以稳定存在，试样在1 6 0 0 ( 2 真空( 约1 0 ”p a ) 热压退火实验8 4 , 时后重量损失不到l 。t i 3 s i c 2 的高温稳定 性能对于一些元素非常敏感，如c 、o 等。这些元素的出现可以导致啊3 s i c 2 在高 温下快速分解。一些研究工作者认为实验中使用石墨坩埚时可以引起t i 。s i c ： 的分解反应，致使在石墨坩埚中试样的分解温度比在刚玉坩埚中低1 5 0 。 r a d h a k r is h n a n 等脚在氩气氛钨丝加热炉和真空石墨炉中进行了1 6 0 0 ( 2 和 1 8 0 0 退火l o 小时的试验，发现在钨丝炉中的试样稳定性好；而在石墨炉中， 试样中t i c 的量随时间和温度的变化而增加，退火1 0 d , 时后试样中的t i 3 s i c 2 仅 残存1 5 ，其余都是t i c 。 因而t i 3 s i c 2 在惰性环境下具有很好的高温稳定性能。 1 5 4 抗热震性 热震性是指部件由于表面和内部或不同区域之间的温度差而产生的应力。 陶瓷材料的抗热震能力是其力学性能和热学性能对应于各种受热条件的综合 表现。目前抗热震性能最好的陶瓷材料可以承受9 0 0 温差的热震，一般的都 在2 0 0 c 至u5 0 0 ( 2 的温差。t 3 s i q 材料对热震不敏感。b a r s o u m 等m 】用测量残 余强度的方法测定了以反应热压法合成的啊3 s i c 2 材料的抗热震性，试样在高 温下保持5 l o m i n ，然后在室温下的水中急冷并测量其残余强度。经过 t = 1 4 0 0 的热震，材料的残余强度仍在3 0 0 m p a 以上。 e 1 一r a u g h y 。”还研究了具有细晶和粗晶结构的t i 3 s i q 两种材料的抗热震 性。结果发现，粗晶结构的材料对热震不敏感，但是细晶结构材料的抗热震性 不如粗晶结构，细晶材料高温淬火后强度逐渐降低，从7 5 0 淬火后，强度损 失1 0 ；而从i 0 0 0 淬火后，热震残余强度为2 6 0 m p a ，强度损失高达5 0 ， 而粗晶结构的材料a t = 1 4 0 0 c 的热震，强度不但没有下降反而有点升高，其强 西南交通大学硕士学位论文 第9 页 度值为3 0 0 m p a ( 热震前的强度为2 6 0m p a ) 。陶瓷材料的抗热震性一般随着晶 粒的增大有较大的提高，原因在于晶粒越大，其强度越低，而弹性模量和泊松 比不变。并且材料的热震断口分析表明，晶粒越大，沿晶断裂区域也越大。 骶3 s i c 2 具有这样优良的抗热震性是与高的断裂韧性和热导率密切联系的。另 外，它独有的层状结构和高温下的塑性行为都可以缓解热应力的作用。 1 5 5 高温机械性能 砸3 s i q 在高温下具有较好的机械性能，e 1 一r a u g h y 等1 对细晶和粗晶的 w i 3 s i c 2 陶瓷的力学性能作了测定。在室温下，细晶、粗晶陶瓷的抗压强度分别 为1 0 5 0 和7 2 0 m p a ，当温度低于1 2 0 0 c 时，为脆性断裂，断裂时的应变小于2 ，在1 3 0 0 时，两者都表现出很好的塑性( 应变大于2 0 ) ，材料的屈服点 分别为5 0 0 和3 2 0 m p a 。在室温下，细晶和粗晶材料的抗弯曲强度分别为6 0 0 和3 3 0 m p a ，温度低于1 2 0 0 c 时，都同为脆性断裂，在1 3 0 0 。c 时，两者都表现 出很好的塑性( 切变大于1 5 ) ，材料对应的屈服点分别为1 2 0m p a 和i o o m p a 。 1 6 陶瓷的摩擦磨损特性 一般来说金属容易塑性变形而具有高硬度的陶瓷材料则是脆性的，在发生 断裂时，往往只有很小的甚至根本没有明显的塑性变形【3 2 1 ，因而与金属的摩擦 磨损特性不同。并且陶瓷摩擦剐的真实接触面积比金属的小，因而所表现的摩 擦磨损行为及其机制比较独特。从宏观上讲，陶瓷材料所固有的脆性是导致其 磨损的主要原因。它的硬度、断裂韧性和弹性模量等机械物理性能与其磨损特 性( 主要是指脆性断裂) 具有相应的数学关系。陶瓷在干摩擦条件下的磨损机 制主要涉及塑性变形、脆性断裂和摩擦化学磨损等几种形式， 1 6 1s i c 陶瓷的摩擦磨损特性 s i c 陶瓷具有高强度、高硬度、抗氧化、耐磨损等优异性能因而在摩擦学 领域中受到极大的关注。单晶s i c 与金属对磨时摩擦系数在o 4 o 6 之间。多 晶s i c 自配对摩擦系数为0 2 0 6 之间。在室温于摩擦条件下，断裂韧性低是 西南交通大学硕士学位论文 第1 0 页 导致s i c 磨损高的主要原因，而在润滑条件下则以微断裂和摩擦化学磨损为主 【3 3 】。温度对s i c 摩擦性能的影响很大，b o c h p 4 1 等对s i c 陶瓷自配对摩擦学特 性的研究发现在室温至4 0 0 c l 目j 摩擦系数由0 9 降到0 3 ，随后又随温度的升高 而上升，当温度达1 0 0 0 ( 2 时摩擦系数为0 9 。肖汉宁等人p 5 】对烧结s i c 陶瓷的 高温摩擦磨损性能研究表明在常温下s i c 陶瓷的磨损机理为切削和犁沟，而高 温下的磨损机理由塑性变形和剥离所控制。 陶瓷材料在承受较低的载荷时便可能产生微裂纹。陶瓷材料在载荷和摩擦 力的反复作用下，在陶瓷摩擦面上产生极高的局部应力，应力超过其强度时， 就会发生断裂。断裂机制是陶瓷磨损的主要机制。 1 6 2t j 。s ic 2 的摩擦磨损特性 t i 3 s i c 2 由于具有层状结构的特征，这种结构类似于传统固体润滑剂石墨和 二硫化钼等的结构，赋予了其自润滑特性，因而有非常好的摩擦性能。同时 t i 3 s i c 2 还具有陶瓷和金属的许多优良特性，在一定的条件下，能够发生塑性变 形，还有高的抗损伤性能。这些将使其摩擦磨损性能不同于一般的陶瓷材料。 t 3 s i q 有很好的摩擦性能。m y h r a 等【3 司使用横向力显微镜研究了t i 3 s i c 2 的摩擦性能，测定了其基面的滑动摩擦系数为2 x 1 0 - 3 5 1 0 。e 1 r a g h y 和 b a r s o 岫f 3 7 】热压合成的高纯t 1 3 s i c 2 陶瓷，可用普遍的高速钢钻头在无润滑状态 下很容易进行钻孔，且尺寸精确、无毛刺，与加工石墨类似，证明了其具有自 润滑特征。 e 1 r a g h y l 3 8 】等人利用销盘式摩擦实验，分别研究了粗细颗粒的t i 3 s i c 2 的 摩擦磨损行为，实验是在压力为5 o n ，速度为0 1 m s ，滑行距离为4 6 3 m 的条 件下进行的。结果表明，t i 3 s i c 2 摩擦过程中有过渡期，此间摩擦系数从0 1 5 线性增大到0 4 5 ，而后基本保持在o 8 3 左右，粗细颗粒币3 s i c 2 的磨损率分别 为1 3 4 x1 0 。3 4 2 5 1 0 。3 i n l n 3 n m 。 周延春等人【3 9 】在压力为7 7 1 4 7 n ，速度为7 m s 的情况下研究了t i 3 s i c 2 基材料的磨损行为，测得摩擦系数在0 4 o 5 之间，磨损率为9 9 1 旷 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 m m 3 n m o 王轶凡等人 删利用盘块式高速摩擦试验机，在滑动速度为2 0 r r d s 、法向载 荷范围为0 2 0 8 m p a 的条件下，研究了高纯度m 3 s i c 2 ( 纯度 9 8 v 0 1 ) 材料 及含2 0 v o l t i c 的砸3 s i c 2 材料与低碳钢的摩擦与磨损行为。两种材料的摩擦 系数随着压力的增大都呈现先