放电等离子反应烧结SiC/MoSi2纳米复合材料及其性能研究

金属间化合物MoSi2以高熔点、低密度、优良的高温抗氧化性能等优势，成为满足新一代航空发动机用1200℃以上超高温结构材料的候选材料。但是，其低温脆性和高温蠕变抗力不足限制了它作为高温结构材料的应用。研究表明，在微米级基体相中引入第二相纳米增强颗粒进行复合，可使材料性能得到大幅提高。本项目采用先驱体转化法和放电等离子反应烧结制备纳米SiC颗粒均匀分布的MoSi2基纳米复合材料。研究放电等离子反应烧结纳米复合材料的烧结机理以及"内晶型"纳米颗粒的形成过程。通过系统地研究相界面及晶粒内部精细组织结构，对"内晶型"和"晶界型"纳米颗粒在材料中作用机理进行透彻地分析，进一步优化其综合性能，使MoSi2基复合材料的室温韧性、高温强度、抗蠕变和抗氧化等性能在现有研究的基础上有更大的提高，对发展在1200～1600℃使用的新一代超高温结构材料具有学术价值与重要意义。

金属间化合物MoSi2以高熔点、低密度、优良的高温抗氧化性能等优势，成为满足新一代航空发动机用1200℃以上超高温结构材料的候选材料。但是，其低温脆性和高温蠕变抗力不足限制了它作为高温结构材料的应用。本项目采用先驱体转化法和放电等离子反应烧结制备纳米SiC 颗粒均匀分布的MoSi2基纳米复合材料。使MoSi2基复合材料的室温韧性和高温强度在现有研究的基础上有更大的提高，对发展在1200～1600℃使用的新一代超高温结构材料具有学术价值与重要意义。. 用人工神经网络和遗传算法对制备工艺进行了拟合、预测和寻优。确定了达到纳米复合材料最大抗弯强度所对应的工艺条件为： SiC(vol%)=15%，热压温度为1598℃，压力30MPa，保温时间为15min，对应的最大目标值为658MPa。通过纳米SiC颗粒复合化后，材料的力学性能显著提高，15%SiC/MoSi2纳米复合材料的综合力学性能最好，室温抗弯强度、断裂韧性和硬度分别为658MPa、5.76MPa m1/2和12.61GPa，比纯MoSi2试样分别增加了138%、84.6%和49%。其1200℃和1300℃的高温抗弯强度分别为803MPa和547MPa，1400℃的屈服强度为312MPa。. 残余应力是形成位错的主要原因之一，当残余应力的切应力分量超过MoSi2基体滑移系开始滑动所需的临界切应力，纳米SiC粒子周围的MoSi2基体发生塑性变形，造成位错增殖。通过TEM，在SiC/MoSi2纳米复合材料中观察到大量的位错、位错网、位错割阶和位错塞积。. SiC/MoSi2纳米复合材料补强增韧的主要原因有：a.纳米SiC粒子的加入有助于基体晶粒的细化，阻止晶粒异常长大；b.纳米SiC粒子的加入可使复合材料的断裂方式改变，由沿晶断裂向穿晶断裂过渡；c. 残余应力引发位错的产生，并导致基体中裂纹发生偏转和屏蔽。SiC/MoSi2纳米复合材料高温强化机理主要是：由于纳米粒子对基体晶粒内部位错移动以及基体晶粒沿晶界滑移的阻碍作用，并且抑制了材料内部裂纹和空洞的产生，使得整个材料的抗蠕变性和高温性能均得到明显改善。