反应烧结氮化硅基复合陶瓷材料的制备与性能研究

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本文用气态耗定升温法反应烧结制备出新型AlN-Si3N4-SiC复合陶瓷材料,并对其进行了结构、形貌分析和物理及力学性能测试。研究发现,新型AlN-Si3N4-SiC复合陶瓷材料的出现是对Si3N4-SiC陶瓷体系的重大改进,Al的添加明显提高了Si3N4-SiC陶瓷体系的强度。针对目前国内在Si3N4自配对摩擦副下对Si3N4陶瓷摩擦磨损性能研究较少的情况下,本文系统研究了载荷、润滑条件、摩擦副对Si3N4陶瓷摩擦磨损性能的影响。 XRD物相分析结果表明,添加Al能够明显促进陶瓷材料的液相烧结,有利于β-Si3N4的形成,从而对材料的力学性能产生了重大影响。SEM形貌分析中观察到等轴状的α-Si3N4和柱棒状的β-Si3N4相互交织,大量的纤维状AlN填充在孔洞之间,从而有效提高了材料的致密度,改善了材料的力学性能。 通过对材料进行密度、孔隙度、三点弯曲强度和洛氏硬度实验,发现在一定范围内添加Al可以显著提高材料的密度及抗弯强度,超过此范围后材料的密度及抗弯强度有所降低;而在保持Al和Si添加比例一定的情况下,复合材料的密度及抗弯强度均随着SiC添加量的增加而增大。而硬度对Al及SiC的添加量不敏感。 对复合材料摩擦磨损行为的研究结果表明,载荷、润滑条件及摩擦副极大影响了材料的摩擦磨损性能。材料的稳定摩擦系数和磨损率均随着载荷的增大而增大;水润滑条件可以显著降低材料的磨损率,降低幅度达两个数量级,极大改善了材料的耐磨性能;对比Si3N4/Si3N4摩擦副及Si3N4/GCr15摩擦副对材料摩擦磨损性能的影响可知,在相同的摩擦条件下,Si3N4陶瓷在Si3N4/GCr15摩擦副下的磨损率要比其在Si3N4/Si3N4摩擦副下低两个数量级。通过对材料磨损表面的形貌分析可知,Si3N4陶瓷的磨损机制主要为粘着磨损、磨粒磨损和微裂纹疲劳。
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