電場激發(fā)與壓力輔助燃燒合成MoSi-,2-及其復合材料的研究.pdf

1、MoSi2具有中等密度(6.24g·cm-3)、高的熔點(2030℃)、較低的熱膨脹系數(shù)(8.1×10-6K-1)和良好的導電、導熱等性能，在航空航天、能源化工、冶金機械等領域有著廣闊的應用前景。為了進一步提高MoSi2及其復合材料的性能，并彌補燃燒合成(Combustion synthesis)技術難以制備致密結構材料的不足，本文采用電場激發(fā)與壓力輔助燃燒合成(Field-activated and pressure assisted

2、 combustion synthesis，F(xiàn)APACS)技術，實現(xiàn)了MoSi2和MoSi2-SiC復合材料的原位合成與同步致密一體化。著重研究了各種工藝參數(shù)對材料的合成組織和致密性的影響，探討了FAPACS過程中材料組織結構的演變規(guī)律，研究了材料的力學與高溫摩擦磨損性能，并對FAPACS過程進行了計算機數(shù)值模擬。
　　 通過系統(tǒng)研究，本文得出如下主要結論。
　　 對于Mo-Si反應體系，通過FAPACS技術合成的材料一

3、般由MoSi2和分布于晶界上的Mo5Si3和少量的SiO2組成。其中，Mo5Si3是Mo和Si在較低溫度下發(fā)生固相界面擴散反應的產(chǎn)物，而SiO2是Si與反應物粉末中殘留的氧發(fā)生反應的結果。
　　 在FAPACS過程中，燒結溫度對合成材料的組織和致密性有著明顯的影響。當燒結溫度高于Si的熔點(1410℃)時，Si粉熔化，并包覆在Mo顆粒表面，不僅有利于大量而細小的MoSi2合成，而且有利于進一步提高合成材料的致密性。結合Mo-Si

4、體系的反應熱力學和動力學的研究表明，高于Si熔點的燒結溫度和大于100℃/min的加熱速度以及足夠的燒結時間是保證體系反應完全且獲得單一、致密MoSi2塊體材料的基本條件。
　　 在燒結溫度為1500℃、升溫速率為100℃/min、壓力為35MPa、保溫時間僅為10min的條件下，通過對Mo-Si體系進行電場激發(fā)與壓力輔助，成功燃燒合成了致密度高(98％)、晶粒細小(5～10μm)的單相MoSi2塊體材料。
　　 對于M

5、o-Si-C反應體系，在電場活化與等離子放電的誘發(fā)作用下，體系中的Si和C能發(fā)生燃燒合成反應，合成在普通條件下難以合成的SiC。原位合成的SiC呈顆粒狀，尺寸在100nm～3μm之間，納米SiC顆粒彌散分布于MoSi2晶粒的內(nèi)部，而大尺寸的SiC顆粒則分布于MoSi2的晶界，從而原位合成了所需的MoSi2-SiC復合材料。
　　 在合成的MoSi2-SiC復合材料組織中，未出現(xiàn)夾雜物SiO2相，說明C的存在有利于消除SiO2。但

6、是，在復合組織中產(chǎn)生了Mo5Si3C三元中間相。Mo5Si3C是一種非穩(wěn)態(tài)的過渡相，通過延長保溫時間，使之發(fā)生Mo5Si3C+8Si＝5MoSi2+SiC反應，可以使Mo5Si3C中間相的含量降低甚至得以消除。
　　 在燒結溫度1500℃、保溫時間30min、軸向壓力30MPa的條件下，成功地實現(xiàn)了MoSi2-SiC復合材料的原位合成與同步致密一體化，從而為MoSi2-SiC復合材料的制備提供了另一條有效的新途徑。
　　

7、 在制備的MoSi2-SiC復合材料中，隨著SiC含量的增加，復合材料的顯微硬度增加，斷裂韌性(K1c)明顯提高。當SiC的體積百分含量為30％時，MoSi2-SiC復合材料的斷裂韌性K1c值可達到5.58Mpa.m，比單一的MoSi2提高了33[％]。進一步的研究表明，單一MoSi2呈典型的脆性穿晶斷裂，而MoSi2-SiC復合材料為沿晶和穿晶的混合型斷裂，其增韌機制主要表現(xiàn)為細晶增韌、裂紋偏轉(zhuǎn)、橋聯(lián)及納米SiC顆粒的釘扎等作用。

8、r>　　 系統(tǒng)研究了MoSi2及其復合材料的高溫摩擦磨損性能。結果表明，在室溫～700℃的溫度范圍內(nèi)，單一MoSi2的摩擦系數(shù)在0.35～0.53之間，而MoSi2-SiC復合材料的摩擦系數(shù)在0.26～0.44之間，且MoSi2-SiC復合材料的耐磨性較單一MoSi2材料的耐磨性提高了36[％]～59.6[％]。
　　 對于MoSi2-SiC復合材料，在載荷和滑動速度一定的條件下，隨著摩擦磨損溫度的增加，材料的摩擦磨損過程分為

9、三個階段。從室溫到300℃材料的摩擦系數(shù)降低，磨損率也呈小幅降低；隨著溫度繼續(xù)升高至600℃，摩擦系數(shù)逐漸增加，而磨損率則先增加并在400℃～600℃時基本保持不變；當摩擦磨損溫度達到700℃時，摩擦系數(shù)和磨損率均出現(xiàn)回落。
　　 材料的高溫摩擦磨損機理的研究表明，粘著、氧化和疲勞斷裂是造成單一MoSi2材料磨損的主要原因，而氧化、轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)移層疲勞剝落是MoSi2-SiC復合材料磨損的主要機制。
　　 建立了FAPACS