论文部分内容阅读
航空、航天的某些结构部件中既要求材料在高温下安全稳定工作,又要具有较低的结构自重,如新型的高温结构材料要满足高的航空发动机的推力与重力比、使用寿命长、工作的可靠性和高的涡轮前进口温度等使用要求。在许多的金属硅化物中,Nb/Nb5Si3原位复合材料具有高熔点、高刚度、低密度及良好的高温强度,被认为具有很好应用前景的高温结构材料。但是,Nb5Si3具有较低的室温韧性和冷热加工性能差等本质缺陷,多壁碳纳米管是一种力学性能优异的增强相.因此,通过掺杂多壁碳纳米管,能够提高放电等离子体烧结制备不同含量多壁碳纳米管Nb-20Si复合材料的强度和韧性。本文以十六烷基三甲基溴化铵为分散剂,对多壁碳纳米管进行酸化处理,结合超声波处理法,无水乙醇为分散溶剂对多壁碳纳米管进行分散处理,能够改善多壁碳纳米管混合液的团聚现象;利用行星式球磨机将多壁碳纳米管、金属Nb粉和Si粉进行湿法球磨,然后真空干燥获得均匀混合的复合粉体;最后采用放电等离子体烧结法制备CNTs/Nb/Nb5Si3复合材料,将复合粉体按100℃/min的升温速率进行升温,烧结温度值(1500℃)、保温时间值(8 min)、施加的轴向压力值(40MPa),制备出致密度为97%以上的复合材料。利用X射线衍射法、扫面电镜法、微机控制电子万能试验机等分析和测试手段,对复合材料的组织、相组成、力学性能及断口形貌进行分析。复合粉体和材料XRD测试研究结果表明:球磨后复合粉体主要由Nb相和Si相组成,未出现明显的CNTs衍射峰,没有出现物相反应转变过程;未掺杂多壁碳纳米管的复合材料主要由Nb相和Nb5Si3相组成,随着添加CNTs后会出现新的Nb4C3生成相。经过SPS烧结制备复合材料,与未掺杂多壁碳纳米管复合材料力学性能相比,添加2wt.%CNTs复合材料的维氏硬度和压缩强度值分别提高了30%和56%,可达16.8GPa和2.2GPa;添加3wt.%CNTs复合材料的室温断裂韧性值提高了68%,可达4.21MPa.m1/2。表明加入多壁碳纳米管能够细化复合材料的组织结构,改善复合材料的增强效果。通过分析CNTs/Nb/Nb5Si3复合材料的断口形貌,加入多壁碳纳米管的复合材料压缩断口出现断裂的小平面和不规则的撕裂棱,而断裂断口在基体上出现单根CNTs和在晶界上有CNTs拔出孔。断裂形式为明显的脆性穿晶断裂和部分的沿晶断裂混合模式,复合材料强韧化机制主要是细晶的强化和碳纳米管的拔出。