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【6h】

SiC-Ti3SiC2复合材料的原位合成反应与组织性能研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 SiC及其复合材料研究进展

1.2.1 SiC结构与性能

1.2.2 SiC复合材料研究现状

1.3 Ti3SiC2及其研究现状

1.4 SiC-Ti3SiC2复合材料的研究现状

1.4.1 SiC-Ti3SiC2复合材料的原位合成反应研究进展

1.4.2 SiC-Ti3SiC2复合材料的致密化制备技术研究进展

1.4.3 SiC-Ti3SiC2复合材料的力学性能研究进展

1.4.4 SiC-Ti3SiC2复合材料研究中存在的问题

1.5 第一性原理计算模拟在材料研究中的应用

1.6 研究目的与意义

第二章 材料制备及分析测试方法

2.1.复合材料设计

2.1.1.原料参数

2.1.2.实验仪器设备

2.2.复合材料的制备工艺

2.3.材料的性能测试与表征

2.3.1.密度测试

2.3.2.三点弯曲性能测试

2.3.3.硬度与断裂韧性测试

2.3.4.光学显微镜分析

2.3.5.XRD物相分析

2.3.6.SEM扫描电镜分析

2.3.7.TEM透射电镜分析

2.4.第一性原理模拟计算

第三章 SiC-Ti3SiC2复合材料的原位合成工艺探索

3.1.β-SiC/TiH2/C原料体系原位合成工艺探索

3.1.1.成分配比对原位反应的影响研究

3.1.2.制备工艺对原位反应的影响研究

3.1.3.β-SiC/TiH2/C原料体系的局限性

3.2.α-SiC/TiH2/C原料体系原位合成反应工艺研究

3.3.原料SiC晶型对SiC-Ti3SiC2复合材料原位合成影响研究

3.4.本章小结

第四章 SiC晶型对SiC/Ti/C体系原位合成的影响机理探索

4.1.SiC晶型对SiC/Ti/C原位反应影响的热力学研究

4.2.SiC晶型对SiC/Ti/C原位反应的界面动力学研究

4.2.1.第一性原理建模计算方法

4.2.2.SiC-TiC密排面界面能模拟研究

4.2.3.SiC-TiC非密排面界面系统界面能模拟研究

4.3.SiC-TiC的界面TEM观察

4.4.本章小结

第五章 SiC含量对SiC-Ti3SiC2复合材料的微观组织及力学性能影响研究

5.1.SiC-Ti3SiC2复合材料物相组织及致密度

5.2.SiC-Ti3SiC2复合材料硬度与断裂韧性

5.3.SiC-Ti3SiC2复合材料三点弯曲性能

5.4.SiC-Ti3SiC2复合材料强韧化机理

5.5.本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士论文期间发表的论文和研究成果

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摘要

本文以超细SiC/TiH2/C粉末为原料,热等静压原位合成制备高SiC含量细晶SiC-Ti3SiC2复合材料,采用XRD、SEM、TEM和第一性原理模拟计算等方法探索复合材料的原位合成反应机理及材料组织结构与性能的关系,主要结论如下:
  在1600℃-100MPa-2h热等静压工艺条件下,β-SiC/TiH2/C为原料的原位合成反应所得材料以β-SiC和TiC为主晶相,目标相Ti3SiC2的含量极微;α-SiC/TiH2/C原料体系则成功合成预期的SiC-Ti3SiC2复合材料。研究表明原料SiC的晶型对SiC/Ti/C原料的原位合成反应及复合材料的具有重要影响。
  SiC-TiC界面的第一性原理界面能计算结果显示:β-SiC-TiC密排和非密排界面体系的界面能平均值分别为3.81J/m2和4.37J/m2;α-SiC-TiC体系分别为4.03J/m2和6.32J/m2,β-SiC-TiC体系的界面能整体要低于α-SiC-TiC体系。β-SiC与TiC具有类似的晶体结构及相近的晶胞参数,二者界面能较低,有利于在β-SiC表面生成TiC新相,导致Ti3SiC2原位合成反应受到抑制。TEM高分辨结果证实β-SiC-TiC界面形成共格匹配,与CASTEP界面模拟的实验结论吻合。
  以α-SiC/TiH2/C为原料,采用热等静压工艺在1600℃-100MPa-4h工艺条件下制备出46vol.%SiC-Ti3SiC2、58vol.%SiC-Ti3SiC2和65vol.%SiC-Ti3SiC2系列样品,XRD和金相分析显示所有样品中均以α-SiC和Ti3SiC2为主晶相,三个样品致密度分别达到了99.3%、98.5%和97.3%,较为致密。金相和SEM分析显示样品组织均匀分散。力学性能测试结果显示样品在保留了SiC高硬度的同时较大幅度提升了材料的断裂韧性,46vol.%SiC-Ti3SiC2样品的硬度和断裂韧性分别达到了17.8GPa和6.2 MPa·m1/2。随着复合材料中SiC含量的增加,材料的硬度增加,三点弯曲强度和断裂韧性下降。SEM断口显微分析显示,SiC-Ti3SiC2复合材料通过裂纹偏转、分散和桥联等作用消耗裂纹能量,减少裂纹扩展行程,提高材料抗损伤容限,材料韧性得到提高。

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