Ti3SiC2的强化与力学性能评价方法
文献类型：学位论文
| 作者 | 万德田 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2007-06-08 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 包亦望 |
| 关键词 | Ti3Si(Al)C2/SiC复合材料 (TiZr)3(SiAl)C2/(ZrTi)C复合材料 Al2O3/Ti3SiC2/Al2O3层状复合材料 单边斜缺口梁法 强化机制 |
| 其他题名 | Strengthening of Ti3SiC2 and Mechanical Properties Evaluation Method |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | 三元层状可加工陶瓷Ti3SiC2综合了金属和陶瓷的许多优点，如低密度、高模量、高韧性、良好的导电和导热性、抗损伤容限好、良好的抗热震性和在1100 oC之下抗氧化性能好。因此，Ti3SiC2是一种非常有潜力的高温结构材料。然而，Ti3SiC2的硬度低，耐磨性差、接触损伤阻力差以及在1100 oC之上抗氧化性能比较差，严重限制了它的广泛应用。为充分挖掘材料潜力，本工作的研究目的是：在力争保留Ti3SiC2的低密度、高模量和导电导热等优点的同时，对其进行了强化处理。强化的方法是通过制备颗粒增强型复合材料和层状材料来强化Ti3SiC2。此外，由于断裂韧性是评价陶瓷材料性能中最重要的指标之一，本文提供了一种简单、准确而且可靠的评价方法。 首先，以Ti、Si、Al和石墨为原料，采用原位热压/固-液相反应方法合成了不同SiC含量的Ti3Si(Al)C2/SiC复合材料。系统研究了SiC颗粒的存在对材料显微结构、室温和高温力学性能、摩擦磨损性能和高温抗氧化性能的影响。由于SiC颗粒的钉扎作用，Ti3Si(Al)C2的晶粒尺寸随着SiC含量的增加而减小。SiC颗粒的加入提高了材料的弹性模量、硬度、断裂韧性、剪切强度、接触损伤阻力、耐磨性和高温抗氧化性能，但材料的弯曲强度却随着SiC含量的增加而单调下降。复合材料性能提高主要是由于硬质SiC颗粒的贡献，而弯曲强度下降主要是在基体Ti3Si(Al)C2中的残余拉应力的作用。 原位制备了不同(ZrTi)C含量的(TiZr)3(SiAl)C2/(ZrTi)C复合材料。(ZrTi)C颗粒的存在明显降低了(TiZr)3(SiAl)C2的晶粒尺寸。(ZrTi)C颗粒的加入提高了材料的弹性模量、硬度和弯曲强度。断裂韧性在(ZrTi)C 含量为10 vol.%时达到最高。讨论了强韧化机制。根据高温弹性模量和高温弯曲强度的测试结果，复合材料在空气中的使用温度应控制在600 oC之下，而在真空环境中的使用温度可以达到1300 oC。 通过制备Al2O3/Ti3SiC2/Al2O3三明治层状复合材料来强化Ti3SiC2。当Al2O3层与基体Ti3SiC2层的层厚比为0.10时，复合材料的最大强度比单相Ti3SiC2的强度提高了14.5%。复合材料的表面硬度因为表层Al2O3的高硬度而大幅度提高。Ti3SiC2层和Al2O3层之间形成强界面的原因是由于在制备过程中产生的Si和Ti-Si液相渗透到Al2O3层中而形成了一个中间层的缘故。基于等效刚度和三点弯曲模型，提出了一种改进的相对法，可以用来评价非对称型三明治复合材料涂层的弹性模量和强度。 采用“山形”缺口法研究了晶粒尺寸、缺口宽度以及测试温度对Ti3Si(Al)C2和Ti3AlC2的断裂韧性的影响。在同样的缺口宽度和实验温度下，粗晶样品比细晶样品的断裂韧性高。临界缺口宽度为250 m。Ti3Si(Al)C2和Ti3AlC2的高温断裂韧性在韧脆转变温度（1100 oC）之前对实验温度并不敏感，但在韧脆转变温度之后，断裂韧性却急剧下降。高温断裂韧性的下降主要原因是由于在韧脆转变温度之后材料的弹性模量急剧下降的缘故。 提出了一种评价陶瓷材料断裂韧性的新方法-单边斜缺口梁法。在假设斜缺口样品的柔度随裂纹扩展相对长度变化所产生的偏差与直通缺口样品是一样的条件下，根据断裂力学中的能量平衡法提出了陶瓷材料断裂韧性的计算公式。断裂韧性可以直接由最大载荷计算所得，而不需要测量裂纹的长度。以Ti3Si(Al)C2和Al2O3为测试材料，采用单边斜缺口梁法和“山形”缺口法测量所得的断裂韧性吻合的很好，且与单边切口梁法的测量结果相近，证实了单边斜缺口梁法是一种简单而且有效的方法。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 216 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17000]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 万德田. Ti3SiC2的强化与力学性能评价方法[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2007. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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