（材料学专业论文）ti3si和ti3sic2纳米材料的制备、表征及摩擦性能研究.pdf

学位论文版权使用授权书 l i i tt it ii ii iii i l1 11i il 、t18 9 5 4 2 9 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 力p f 年 指导教师签名 涉，年多月，阳 分类号i 幽 u d c 幽 密级坌珏 编号】鲤鳗垦q 逝q 】2 博士学位论文 t i 3 s i 和t i 3 s i c 2 纳米材料的制备、表征及摩擦 性能研究 吴琼 指导教师奎拯生教授 申请学位级别堙专业名称挞鲞翌堂 论文提交日期2 q ! 兰生垒且 论文答辩日期 2 q 至! 生鱼且 学位授予单位和日期江菱太堂 答辩委员会主席 评阅人 2 0 1 1 年6 月 c l a s s i f i e di n d e x ：t b 3 0 3 u d c ：6 2 0 p h d d i s s e r t a t i o n s t u d yo np r e p a r a t i o n ，c h a r a c t e r i z a t i o na n dt r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so ft i 3 s ia n dt i 3 s i c 2n a n o m a t e r i a l s b y w u q i o n g m a j o r ：m a t e r i a ls c i e n c e s u p e r v i s o r ：p r o f l ic h a n g s h e n g j i a n g s uu n i v e r s i t y j u n e ，2 0 1 1 摘要 摘要 本文利用机械合金化方法对t i s i 纳米晶、非晶等亚稳态材料的制备工艺和反应机 制进行研究，首次合成出面心立方结构的t 3 s i 纳米颗粒，并通过x 射线衍射仪( 王d ) 、 扫描电子显微镜( s e m ) 、透射电子显微镜( 珀讧) 等测试手段对其晶体结构、相演变 过程及反应机制进行探讨。并将t i 3 s i 纳米材料作为减摩添加剂，应用于传统的润滑油体 系中，对其作为润滑油添加剂的摩擦学性能进行研究。 另外，本论文把正己烷( c 6 h 1 4 ) 掺入t i s i - c 三元粉末中先进行机械合金化，以此 来降低反应合成的能垒，再掺入m 和n a c l 为助剂进行烧结，以降低反应合成的条件， 合成出高纯度的t i 3 s i c 2 粉体；分别采用放电等离子烧结法、热压烧结法、真空烧结法和 无压烧结法成功合成出六方层状t i 3 s i c a 纳米片；研究了t i a s i c 2 的反应机理，并探讨了 其晶体生长机制；对其作为润滑油添加剂的摩擦学性能进行研究。 主要研究内容包括： ( 1 _ ) 整个合金化过程经历了从非晶态到结晶态的过程。根据x 射线图谱，通过计算机拟 合出t i 3 s i 的晶体参数，并经过理论计算证明该t i a s i 原子团为面心立方结构，从而 得出了t i a s i 新相原子团的排布图。通过高分辨透射电镜得到了t i 3 s i 纳米颗粒的高 分辨照片及选区电子衍射图，这与x 射线衍射方法得出的晶体结构完全相符，验证 了机械合金化1 0 0 h 后的t i 3 s i 原子团属于面心立方结构。 ( 2 ) 将啊3 s i 纳米材料作为减摩添加剂，应用于传统的润滑油体系中，极大地改善了润滑 油的摩擦性能。添加有t i a s i 纳米颗粒的润滑油在流体润滑区的减摩机理为，t i 3 s i 纳米颗粒在摩擦表面接触区域起到微滚动作用，变滑动摩擦为滚动摩擦。在边界润 滑区，鸭s i 纳米颗粒在高载荷的作用下表面外壳发生破裂，核内部钛溢出，在微凸 体接触区形成易剪切的软金属膜。硬度高的t i 3 s i 外壳在摩擦表面起到承载作用，同 j 时减小接触区域的粘着作用，从而达到减摩效果。混合润滑区是一个过渡区域，它 的减摩机理是在靠近流体润滑区一端表现为微滚动作用，而在靠近边界润滑区表现 为低剪切应力的金属膜和高硬度的t i 3 s i 纳米颗粒抗粘着作用。 ( 3 ) 采用放电等离子烧结法制备t i 3 s i q 纳米片。研究表明：以越和n a c i 为助剂结合 放电等离子烧结工艺可以显著降低t i 3 s i c 2 的合成制备温度，其制备高纯致密t i 3 s i c 2 的烧结温度是比传统的烧结工艺低1 0 0 一- - 3 0 0 c 。 江苏大学博士学位论文：t i ，s i 和t i ，s i c ：纳米材料的制备、表征及摩擦性能研究 ( 4 ) 在1 2 5 0 0 c 氩气氛围下，利用钛粉，硅粉，石墨，铝粉末并添加氯化钠的情况下，通 过热压烧结合成出纯相的t i 3 s i c 2 纳米片材料。许多t i 3 s i c 2 颗粒上生长着形貌为标准 的正六边形几何结构的片状晶粒，晶粒边界清晰，表面光滑，薄片的厚度在纳米级别， 最薄处可达到5 r i m 。 圆采用无压烧结法制备t i 3 s i c 2 纳米片。样品中出现大量的独立六方片状t i 3 s i c 2 晶粒， 这与热压烧结法合成出的片层堆垛的t i 3 s i q 晶粒形貌不同。 ( dt 3 s i c 2 二维成核的生长机理被提出。该层晶体( a 嗡面的生长过程是由两个不同的步 骤组成的，即间歇的二维成核和连续的生长层的横向扩展。根据d o n n a y - h a r k e r 理 论，t i 3 s i c 2 的晶体形态是由( 0 0 2 ) ，( 1 0 0 ) 和( 1 0 1 ) 晶面的相对生长速度所决定的。 ( 7 ) 将t i 3 s i c 2 纳米片作为减摩添加剂，应用于传统的润滑油体系中，极大地改善了润滑 油的摩擦性能。t i 3 s i c 2 纳米片在摩擦过程中很好的起到了填充修补作用，从而防止 了犁沟的进一步加深，避免了接触面积的减小，减小了摩擦副之间的压强，保护了 材料的表面。 关键词：砸3 s i ；t i 3 s i c 2 ；纳米材料；摩擦性能 a b s t r a c t a b s t r a c t t i 3 s in a n o p a r t i c l e sw i t hn e wc r y s t a ls t r u c t u r ew e r ep r e p a r e db ym e c h a n i c a la l l o y i n g 哟 p r o c e s s t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g y w e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fx - r a yd i f f r a c t i o n ， s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y t h et r i b o l o g i c a l p r o p e r t i e so ft i 3 s in a n o p a r t i c l e s 勰a d d i t i v e si nt h eb a s eo i lw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d i na d d i t i o n , n - h e x a n e ( g i - 1 1 4 ) w a sa d d e di n t ot i s i - ct e r n a r yp o w d e r sb e f o r em e c h a n i c a l a l l o y i n g , i no r d e rt or e d u c et h ee n e r g yb a r r i e ro fr e a c t i o na n dt h e nm i x e dw i t ha 1a n dn a c ia s s i n t e r i n ga d d i t i v e s t or e d u c er e a c t i o nc o n d i t i o n s s o ，h i g hp u r i t yt i 3 s i c 2p o w d e r sw e r e p r e p a r e d ；h e x a g o n a ln a n o - l a m i n a t e dt i 3 s i c aw e r es y n t h e s i z e ds u c c e s s f u l l yb ys p a r kp l a s m a s i n t e r i n g , h o tp r e s s i n g , v a c u u ms i n t e r i n ga n dp r e s s u r e l e s ss i n t e r i n gr e s p e c t i v e l y t h er e a c t i o n m e c h a n i s mo ft i 3 s i c 2a n dc r y s t a lg r o w t hm e c h a n i s mw e r es t u d i e d t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s o fn a n o - l a m i n a t e dt i 3 s i c aa sl u b r i c a t i n go i la d d i t i v e sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h e m a i nc o n t e n tc o m e sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h em e c h a n i c a la l l o y i n gp r o c e s sc a u s e dt h ea m o r p h o u sa l l o yt oc r y s t a l l i z e b a s e d0 1 1t h e a n a l y s i so ft h ex r dp a t t e r nt h ep e a k so ft h es a m p l ew e r ei n d e x e da n dt h ep o s s i b l ea t o m a r r a n g e m e n ti nt h eu n i tc e l l 强阻sg i v e n t h em i c r o s t r u c t u r ei sc o r t r a r m e db yh r t e m a n d s e a l ) t h a ta g r e e dw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s ( 2 ) t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft i 3 s in a n o p a r t i c l e sw e r ei n v e s t i g a t e do i lf r i c t i o na n dw e a l t e s t e l ，a n dt h ew e a l m e c h a n i s m 硼a l s od i s c u s s e d i n v e s t i g a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt i 3 s i n a n o p a r t i c l e sw e r ee x c e l l e n tl u b r i c a t i n go i la d d i t i v ei np o i n to fa n t i - f r i c t i o na n da n t i - w e a r p r o p e r t y i nt h ef l u i dl u b r i c a t i n ga r e a , t h et i 3 s in a n o p a r t i c l e sr e a c t e d 弱t h em i c r o - r o l l i n g s e c t i o n , 8 0t h es l i d i n gf r i c t i o nb e c a m er o l l i n gf r i c t i o n t i 3 s in a n o p a r t i c l e sw e r ec r a c k e di n t h eb o u n d a r yl u b r i c a t i n ga r e a , a n dt h et ii n t e r i o ro fk e r n e ls m o o t hp l a n k i n g0 1 1t h ew e a l s c a rs u r f a c eo ft h et e s tb a l l s i tc a nb ei n f e r r e dt h a tt h e n a n o p a r t i c l e sh a v eb e e nd e p o s i t e d 0 1 1 t h es u r f a c eo ft h ew e a l s c a ra n d 劬c di n t ot h et i n yg l o o v e 8 ，w h e r ea f t e rt h e s ep a r t i c l e sa c t a sab a r r i e r , s e p a r a t i n gt h ef r i c t i o ns u r f a c ep a i r , r e d u c i n gt h ew e a l ，a n ds u b s e q u e n t l y p o s t p o n i n gt h eo e c u i t e l l c eo fs e i z u r e t h em i x e dl u b r i c a t i n ga r e ai sat r a n s i t i o na r e a t h e m e c h a n i s mi st h em i c r o - r o l l i n gf u n c t i o nt a k ea st h ep r i m a r yn e a rt h ef l u i dl u b r i c a t i n ga r e a a n ds m o o t hp l a n k i n ga c t e dp r i m a r i l yd o s i n gt h eb o u n d a r yl u b r i c a t i n ga r e a ( 3 ) s p a r kp l a s m as i n t e r i n go fn a n o - l a m i n a t e dt i 3 s i c 2 t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h es p a r k p l a s m as i n t e r i n gp r o c e s sc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h es y n t h e s i st e m p e r a t u r eo ft i 3 s i c 2w i t h h i 江苏大学博士学位论文：t i 。s i 和t i ，s i c ：纳米材料的制备、表征及摩擦性能研究 t h ec o m b i n a t i o no fa ia n dn a c ia 8a d d i t i v e s t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r ef o rs y n t h e s i so f h i g hp u r i t ya n dd e n s et i 3 s i c 2i s1 0 0 0 c 一3 0 0 0 cl o w e rt h a nc o n v e n t i o n a ls i n t e r i n gp r o c e s s ( 4 ) p u r en a n o - l a m i n a t e dt i 3 s i c am a t e r i a l sw e r es y n t h e s i z e db yh o tp r e s s i n gf r o mt i ，s lc a n d a ip o w d e r sw i t hn a c la d d i t i v ei na r g o na t1 2 5 0 0 c am o u n to fs t a n d a r dh e x a g o n a l g e o m e t r yo ft h ef l a k eg r a mw e r ef o u n d e do nt h et i 3 s i c 2p a r t i c l e s , w h i c he x h i b i tad e a r a n dw e l l - d e f i n e dl a m i n a t e ds t r u c t u r ea n ds m o o t hs u r f a c eo fh e x a g o n a lg r o w t hl a y e r s t h e t h i n n e s to f l a y e r si su pt o5 n m w h i c hb e l o n g e dt on a n o - l e v e l ( 5 ) p r e s s u r e l e s ss i n t e r i n g o fn s n o - l a m i n a t e dt i 3 s i c 2 al a r g en u m b e ro fi n d e p e n d e n t j h e x a g o n a lf l a k e so ft i 3 s i c 2w e r ef o u n d e di ns a m p l e st h a tw e r ed i f f e r e n tf r o ml a m e l l a r s t a c k i n gt i 3 s i c 2s y n t h e s i z e db yh o tp r e s s i n gi nm o r p h o l o g y ( 6 3t h eg r o w t hm e c h a n i s mo ft i 3 s i c 2c r y s t a l sc o n t r o u e db yt w o - d i m e n s i o n a ln u c l e a t i o nw a s ：p u tf o r w a r d t h eg r o w t hp a t t e r no fl a y e r e ds t e p si m p l i e st h a tt h eg r o w t ho ft h e ( 0 0 2 ) f a c e s h o u l du n d e r g ot w os t e p s ，t h ei n t e r m i t t e n tt w o - d i m e n s i o n a ln u c l e a t i o na n dt h ec o n t i n u o u s l a t e r a ls p r e a d i n go fm y e r so ng r o w t hf a c e s a c c o r d i n gt ot h ed o n n a y - h a r k e rt h e o r y , t h e c r y s t a l l i n es h a p eo ft s ci sd e t e r m i n e db yt h er e l a t i v eg r o w t hr a t eo ft h e ( 0 0 2 ) ，( 1 0 0 ) a n d ( 1 0 1 ) f a c e s t h et r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so fn a n o - l a m i n a t e dt i 3 s i qm a t e r i a l sw e r ei n v e s t i g a t e do n 伍c t i o na n dw e a rt e s t e r i n v e s t i g a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tn a n o - l a m i n a t e dt i 3 s i c 2m a t e r i a l s w e r ee x c e l l e n tl u b d c a t i n go i la d d i t i v ei np o i n to fa n t i - f r i c t i o na n da n t i - w e a rp r o p e r t y t i 3 s i c 2n a n o s h c c t sp l a y e dw e l lar o l ei n 血i n gr e p a i ri nt h ef r i c t i o np r o c e s s ，t h e r e b y p r e v e n t i n gt h ef u r t h e rd e e p e n i n gf u r r o w , a v o i d i n gt h ec o n t a c ta r e ad e c r e a s e s , a n dt h e r e d u c e dp r e s s u r e sb e t w e e nt h ef r i c t i o np a i r sp r o t e c t e dt h em a t e r i a ls u r f a c e k e y w o r d s ：t i 3 s i ；t i 3 s i c 2 ；n a n om a t e r i a l s ；t r i b o l o g i c a lp r o p e r t i e s 目 录 第章绪 论 目录 1 1 1 弓j 言1 1 2 r i s i 合金的研究：3 1 2 1t i - s i 合金的国内外研究现状。3 1 2 2t i s 合金的机械合金化法4 1 3 t i s s i c 2 材料的研究。7 1 3 1 t i 3 s i c 2 材料的国内外研究现状7 1 3 2t i 3 s i c 2 的制备方法1 0 1 3 3t i s s i c 2 的综合1 生能。1 5 1 4 本课题的选题背景和意义1 7 1 5 本文研究的内容1 9 第二章基本理论和设备仪器一21 2 1 弓i 言2 1 2 2 机械合金化的基本原理及工艺条件2 1 2 3 样品测试表征设备2 4 2 3 1x 射线衍射仪：弭 2 3 2 扫描电子显微镜 2 3 3 透射电子显微镜2 7 2 4 样品摩擦性能测试设备2 9 2 4 1 原子力显微镜。2 9 2 4 2u m t - 2 摩擦磨损试验机3 0 2 4 3m r - s 1 0 b 四球摩擦实验机。3 3 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 璃陌纳米颗粒的制备及表征。3 5 机械合金化合成t i s s i 纳米颗粒的影响因素3 5 3 1 1 球磨介质的选择3 5 3 1 2 球磨转速的选择3 5 3 1 3 填充系数的选择3 6 3 1 4 液固比的选择3 6 样品的制备过程3 7 样品的制备原料3 7 t i 3 s i 纳米颗粒的结构表征与分析3 8 t i 3 s i 纳米颗粒的形貌分析。3 9 v 江苏大学博士学位论文：t i 。s i 和t i ，s i c ：纳米材料的制备、表征及摩擦性能研究 3 6t i 3 s i 纳米颗粒的相演变分析 4 0 3 6 1t i 3 s i 晶格参数的分析。4 0 3 6 2t i 3 s i 晶相的分析。4 2 3 7t i 3 s i 纳米颗粒新相结构的确定。4 4 3 7 2t i 3 s i 的晶体结构的理论计算4 5 3 7 3t i 3 s i 的晶体结构的实验验证4 7 3 8 本章，j 、l ；占4 8 第四章t i 3 s i 纳米颗粒的摩擦特性研究。一。一4 9 4 1 前言4 9 ，4 2 纳米材料润滑油添加剂5 0 4 2 1 纳米材料的特性5 0 4 2 2 纳米材料作为润滑油添加剂在摩擦领域中研究现状5 1 4 2 3 纳米材料作为润滑油添加剂的优势及存在的问题。5 4 4 3 摩擦学基本原理5 5 4 4t i 3 s i 纳米颗粒在n 4 0 油中的摩擦学特性5 6 4 a 1 实验材料与方法。5 6 4 4 2 结果与讨论5 7 4 5 t i a s i 纳米颗粒在h v d 5 0 基础油中的摩擦学特性。6 1 4 5 1 实验材料与方法6 1 4 5 2 结果与讨论6 1 4 6 油润滑介质纳米润滑材料摩擦作用机理。6 7 4 6 1 分子轴承机制6 7 4 6 2 独特的结构6 8 4 6 3 润滑膜机制6 8 4 6 4 填充修复机制6 9 4 7 本章小结6 9 第五章t i 3 s i c 2 纳米片的制备及表征。一 。一 7 1 5 1 弓i 言7 1 5 2 放电等离子烧结法制备t i 3 s i c 2 纳米片。7 2 5 2 1 实验方法7 2 5 2 2 产物表征7 2 5 3 热压烧结法制备t i 3 s i c 2 纳米片7 6 5 3 1 实验方法7 6 5 3 2 产物表征7 6 5 a 无压烧结法制备t i 3 s i c z 纳米片7 9 5 a 1 实验方法。7 9 目录 5 4 2 产物表征8 1 5 5t i 3 s i c 2 纳米片的生长机理8 5 5 5 1 弓i 言8 1 ； 5 5 2 d o n n a y - h a r k e r 机j 堑8 5 5 5 3 二维成核机理8 6 5 6t i 3 s i c 2 材料的反应机理。8 8 5 7t i 3 s i c 2 材料的补强增韧机理9 3 5 7 1t i 3 s 女c 2 材料的硬度分析9 3 5 7 2 t i 3 s i c 2 材料的韧性及其补强增韧机制9 5 5 8 本章d 、结s 1 6 第六章a t 3 s i c ，2 纳米片的摩擦性能研究。一9 9 6 1 前言。9 9 6 2t i a s i c 2 纳米片材料作为润滑油添加剂的摩擦性能研究1 0 0 6 2 1 实验方法。1 0 0 6 2 2 摩擦性能研究。1 0 1 6 3 层状纳米材料的摩擦机理的国内外研究现状1 0 6 6 3 1 第三体和自修复机制1 0 6 6 3 2 材料转移和分层剥离机制。1 0 7 6 at i a s i c 哇纳米片作为润滑油添加剂的摩擦机理研究1 0 8 6 4 1 油膜厚度对t i 3 s i c 2f l i j ；米片摩擦性能的影响1 0 8 6 4 2 t i 3 s i c 2 纳米片的填充修补作用1 1 2 6 a 3t i 3 s i c 2 纳米片吸附膜的形成1 1 3 6 5 影响含有t i a s i c 2 纳米片添加剂的润滑油摩擦性能的其它因素。1 1 3 6 _ 5 1j i l i ! ! 蔓11 3 6 5 2 载荷1 1 4 6 5 3 添加剂浓度1 1 4 6 _ 5 a 表面粗糙度1 1 4 6 5 5 纳米材料的形貌1 1 5 6 6 ： ：章d 、结1 1 5 第- l - i 结论j 亏j 畏望1 1 7 7 1 全文结论11 7 7 2 研究展望。1 2 0 ：参考文献12：i 致谢l 二1 1 攻读博士学位期间发表的学术论文及参与课题一。一一一。一。一。1 3 3 v 第一章绪论 1 1 引言 目前的铸造钛合金，大多使用包含稀土元素在内的多种元素进行合金化，从 而使材料成本居高不下。而国内铸造钛合金种类单一，9 0 以上的铸件都使用 t i 6 a i 一4 v 合金，远不能满足宇航工业对材料的低本、高强度、耐蚀好、抗燃烧、 耐高温以及铸造工艺对材料的铸造性能的要求【1 1 。 t i s i 合金一问世就显示出它优异的铸造合金特性，早己被金属界所瞩目。由 于t i s i 合金熔点低( 共晶成分的合金熔点仅为1 3 5 0 ) 、结晶区间小、流动性好， 弥补了传统铸造钛合金的熔点高( 1 6 8 0 ) 、耗能多、结晶区间宽、铸件易形成 疏松或缩孔的缺陷。 t i s i 合金的铸造性能可与铸铁和础s i 合金相媲美，而物理力学性能却远远 超过它们。该合金的合金化元素少、成本低。由韧性相的钛基体组成，为陶瓷性 质的t i 5 s i 3 相与p t i 共晶结构所强化 2 1 ，而后经共析转变成a - t i 。t i s i 系合金在 1 3 3 0 和8 5 w t s i 时发生共晶反应：( 钛) l 专t i + t i 5 s i 3 。t i s i 合金中的t i s s i 3 相是难熔金属间化合物，它首先由p i e t r o k w s h y 和d u w e r 在1 9 5 1 年观察到【3 】。它 具有着六边形d 8 8 结构，a = 0 7 4 6 4 n m ，c = 0 5 1 2 6 n m ，由2 6 0 3 ( 3 7 5 a t ) t 拘s i 组成， 熔点为2 1 3 0 。c ，当量组分的密度为p = 4 3 2 9 c m 3 ，硬度大约为( 9 6 8 1 0 ) h v 4 1 。虽 然人们希望利用这种材料的高强度性能，但是单相t i 5 s i 3 合金在1 2 0 0 - - 一1 4 0 0 k 时， 有1 个b d t 转变。该合金的b d t 被定义为有限塑性的开始，b d t 的发生很明显 是在开始生成脆性相t i s s i 3 的时候1 5 】。尽管如此，t i 5 s i 3 本身作为复合物基体已经 获得了高温应用。并开发了多种合成t i 5 s i 3 的方法，如电弧熔炼、s h s 、爆炸紧实、 震动合成、机械合金化后压力烧结反应、热压、粉末冶金，并研究t i 5 s i 3 颗粒的硬 度、断裂韧性等机械性能。对t i s s i 3 氧化性进行的研究发现，在溶解度范围内合金 化( r n 5 s i 2 7 5 3 劫可以提高其抗氧化性【q 。t i s i 合金既有陶瓷材料的热物理特性，又 有优于陶瓷的耐冲击特点。在这一合金体系中可望制备出抗高温、耐热冲击和抗 裂等合金。可以预料，t i s i 合金是最具应用前景的铸造钛合金，开展钛硅合金的 研究将有着划时代的意义。 江苏大学博士学位论文：t i ，s i 和t i ，s i c ：纳米材料的制备、表征及摩擦性能研究 t i s i 合金的不足之处在于室温塑性较差，因此，提高t i s i 系合金的室温塑性 成为研究该合金的关键问题。提高合金塑性和强度常用的方法是微合金化，通过 改变其凝固行为和微观组织，来达到改善力学性能的目的。 结构陶瓷随着宇航、航空、原子能和先进能源等近代科学技术的发展，对高 温、高强度材料提出了越来越苛刻的要求，金属基高温合金最高可耐1 1 0 0 0 c 高温， 难以完全满足要求。特种陶瓷材料的熔点和硬度比金属材料高得多，且化学稳定 性及其它性能优良。同时各种场合使用的陶瓷材料越来越多。如陶瓷切削刀具， 由于它的高硬度、高耐磨性、耐高温和对金属的不粘合性，成为高速切削和精密 切削的有力工具；氧化铅陶瓷的耐磨性、耐腐蚀性、高比重，极适合于用作油田 深井泵中的阀座，大幅度提高了使用寿命；由于陶瓷的高硬度、耐磨性和耐腐蚀 性，可以在很多情况下用作磨球和各类液体泵的密封部件，甚至用作高温下使用 的无需润滑剂的高温轴套、轴承；在钢铁工业上使用的牵引钢丝的导轮；此外， 在钢水连铸、高温风口等高温、易磨损、易侵蚀的工作部位，都可以找到高温陶 瓷坚强的身影。在纺织工业的耐磨、防静电等的工作场合中，亦有高温结构陶瓷 的用武之地。 传统的陶瓷材料与金属材料及高分子材料相比，具有许多优点，如耐高温、耐 腐蚀、抗氧化、高强度等，在高温、腐蚀等环境下使用能充分显示其优越性。但 陶瓷材料存在脆性大、韧性低和难以机械加工的缺陷。人们通过各种途径来提高 陶瓷材料的韧性，如纤维或晶须增韧、颗粒弥散增韧和z r 0 2 应力诱导相变增韧， 虽取得了一定的效果，但亦存在工艺复杂、成本昂贵和性能提高幅度有限等缺陷； 而传统改善陶瓷材料机械加工性能的方法是在陶瓷基体中引入弱的结合界面，这 种方法虽然提高陶瓷材料的可加工性，但同时亦降低了材料的力学性能和使用的 可靠性。 最近，一类具有层状结构的三元碳化物t i 3 s i c 2 受到了广大科学工作者的高度 重视。它同时具有金属和陶瓷两种材料的优良性能，在常温下，它和金属一样有 着很好的导热性能和导电性能，有较低的v i c k e r s 硬度和较高的弹性模量和剪切模 量，并且可以像金属和石墨一样进行机械加工，在高温下具有塑性：同时，它又 具有陶瓷材料的性能，有较高的屈服强度、高熔点、高热稳定性和良好的抗氧化 性能；更有意义的是它有着甚至优于石墨和m o s 2 的自润滑性能。 2 第一章绪论 1 2n s i 合金的研究 1 2 1t i s i 合金的国内外研究现状 钛硅系合金作为可实际应用的合金研究，在国际上则只是刚刚起步。m a y p b h 教授和乌克兰国家科学院院士k x f h h h i i 、h i o t a p a n ，他们是前苏联共晶合 金研究的主力，曾在f e c 和砧s i 两大共晶系作出了举世瞩目的成就。近年来该 研究组将注意力集中在t i 合金的研究上。他们发展了新型高强度和耐热钛基合金 的家族t i 舢m n s i 、t i - a 1 m n s i z r 、t i 甜m n - s i c r m o 。这