石墨烯增强碳化硅复合材料制备和摩擦学性能研究

发布时间：2020-10-13 19:13

　　陶瓷材料具有高硬度和强度,良好的耐腐蚀和抗磨损性能,作为耐磨结构部件在众多工业领域具有较为广泛的应用前景。通过对陶瓷材料进行增强,改善其摩擦学性能并探究摩擦学机理对于陶瓷材料在摩擦学中的应用具有重要意义。本课题利用液相烧结原理,使用Al_2O_3和Y2O3作为烧结助剂,采用热压烧结方法制备得到碳化硅陶瓷,研究了烧结助剂种类和含量对其致密度、组织结构、力学性能的影响。当烧结助剂Al_2O_3和Y2O3的质量比为1:2.5时,随着Al_2O_3和Y2O3添加量从3.0 wt.%逐渐增加到15 wt.%,SiC陶瓷的致密度、维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性先增加后降低。当添加量为10 wt.%时,SiC陶瓷的致密度及力学性能均达到最大。致密度为98%,维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性分别为26.7 GPa,617 MPa和5.04 MPa·m1/2。在此基础上添加石墨烯制备了石墨烯增强SiC复合材料,研究了石墨烯含量对复合材料致密度、组织结构和力学性能的影响规律,探究了石墨烯在SiC陶瓷基体中的分散行为以及与基体的结合方式。研究发现热压烧结会导致石墨烯的分布方向存在择优取向,为垂直于加压方向。当石墨烯添加量由0逐渐增加到7 wt.%时,复合材料的致密度与维氏硬度不断下降,致密度从98.0%逐渐减小到94.5%,维氏硬度从26.7 GPa逐渐降低到13.8 GPa。石墨烯的分布形态和各向异性,使得复合材料的弯曲强度和断裂韧性在轴向压力的垂直方向和平行方向出现明显的差异。在平行方向弯曲强度和断裂韧性随着石墨烯含量的增加先增加后降低。当添加量为3 wt.%时,弯曲强度最大为702 MPa,比未添加石墨烯时增加了14%;当添加量为5 wt.%时,断裂韧性最大为6.19 MPa·m1/2,比未添加石墨烯时提高了23%;而在垂直方向,弯曲强度和断裂韧性随着石墨烯含量的增加而降低。复合材料主要的增韧机制为石墨烯的拔出和桥接以及裂纹的偏转。探究了使用SiC、Al_2O_3和Si3N4三种对磨球以及不同载荷下,基体SiC陶瓷与添加不同含量石墨烯的复合材料的摩擦学性能。SiC陶瓷的磨损机制主要为脆性断裂与磨粒磨损,载荷增加时,SiC陶瓷的磨损程度加剧。当与SiC和Si3N4对磨球对磨时,在高载荷下磨损表面发生氧化,生成较多的氧化产物。氧化产物被压实在磨损表面从而降低了摩擦系数和磨损率。添加石墨烯后,复合材料的耐磨性提高,复合材料的磨损机制主要为脆性断裂与剥层磨损。一方面石墨烯添加到复合材料中可以增强复合材料的力学性能,抑制陶瓷晶粒的剥离,减弱磨损过程中由磨屑引起的微切削。另一方面在摩擦时石墨烯和剥离的磨屑共同形成一层釉层,石墨烯可以减小釉层上的摩擦应力,磨损机制转变为剥层磨损,降低了复合材料的摩擦系数和磨损率。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ174.758.2
【部分图文】：

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图 1-1 Si-C 二元相图与 SiC 晶体结构[17]：a) Si-C 二元相图；b) SiC 晶体结构iC 主要有两种结晶形态：α-SiC 和 β-SiC。β-SiC 又称为 3C-SiC，为面型结构，晶格常数 a=0.4359 nm。α-SiC 是 SiC 的高温型结构，属六方、15R 和 6H 等 100 余种多型体[18]。在不同温度下，SiC 的结晶形态体之间的热稳定性关系也不同。其中 β-SiC 晶型为低温稳定晶型，当

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图 1-2 常见的 SiC 原子堆垛示意图[18]SiC 陶瓷烧结过程中主要的传质机理有：蒸发与凝聚、粘滞流动、表面扩散、界或晶格扩散和塑性变形等[19]。Si-C 强共价键会导致晶格扩散和表面扩散等固传质速率很慢，这就造成纯 SiC 粉依靠以扩散传质为主的固相烧结来实现致密需要高温并且长时间保温。而气相传质的本质就是升华再凝结为固体的过程，

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