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木论文面向工程陶瓷材料在各领域的应用需求,在氮化硅-六方氮化硼(Si3N4-hBN)复合陶瓷制备成型的基础上,设计并制备了氮化硅-六方氮化硼/钼(Si3N4-hBN/Mo)层状复合材料,对其物理力学性能,以及多盐度人工海水环境、多载荷海水润滑环境下的摩擦学特性进行了研究,同时对Si3N4-hBN/Mo层状复合材料在海洋大气环境下的摩擦磨损行为进行初步探索,重点对层状材料层界面物质组成及成型原理、多盐度海水环境下摩擦副的摩擦磨损及润滑机理进行了深入的探讨,并且阐述了层状结构对Si3N4-hBN/Mo层状复合材料的增韧效果及摩擦学性能的影响。通过排水法、三点弯曲法、显微硬度检测及单边切口梁法对Si3N4-hBN/Mo层状复合材料的物理力学性能进行检测;选用氮化硅(Si3N4)和钛合金(TC4)作为配副材料,借助型号为MMW-1的摩擦磨损试验机构建试验平台,利用扫描电子显微镜(SEM)、三维数码显微镜观察断口腐蚀形貌和摩擦后磨损表面,利用能谱仪(EDS)、X射线衍射仪等分析测试手段,分析层界面及磨损表面的物相组成。该论文主要完成以下研究工作:(1)本论文研究了 Si3N4-hBN陶瓷复合材料的物理力学性能,多盐度人工海水环境下Si3N4-hBN/Si3N4和Si3N4-hBN/TC4摩擦副的摩擦学性能的影响,探讨了 hBN含量对不同配副和不同环境下的影响。在物理力学性能方面,Si3N4-hBN陶瓷复合材料物理力学性能因hBN的添加发生了轻微的劣化。在摩擦学性能方面,人工海水盐度的变化因配副材料的不同对复合陶瓷的摩擦磨损特性产生了不同的影响。当配副材料为Si3N4时,Si3N4-hBN陶瓷复合材料的摩擦磨损特性随海水盐度的提升而提高,添加hBN的复合陶瓷在摩擦过程中获得了更为平整的摩擦表面,进而体现了相比于未添加hBN材料更好的摩擦学性能,并且,Si3N4-hBN与Si3N4滑动副在海水环境下的磨损以磨粒磨损为主;当配副材料为TC4时,海水盐度的变化与hBN的添加对Si3N4-hBN陶瓷复合材料的摩擦因数影响并不显著,但人工海水的高盐度和陶瓷的高硬度加剧了 TC4盘试样的磨损,并且,Si3N4-hBN与TC4滑动副在海水环境下的磨损是磨粒磨损和粘着磨损的混合磨损机制。(2)为了改善Si3N4-hBN陶瓷复合材料的断裂韧性较低这一问题,本论文利用层状结构提升复合陶瓷的力学性能。通过向Si3N4-hBN陶瓷复合材料中添加Mo制备具有层状结构的Si3N4-hBN/Mo层状复合材料,研究其物理力学性能,并以TC4钛合金为配副材料,探究了多盐度、变载荷人工海水环境下Si3N4/Mo与TC4配副的摩擦学性能,同时对海洋大气环境下转速对Si3N4-hBN/Mo层状复合材料的影响进行了初步探索。在物理力学性能方面,层状结构的确提升了 Si3N4-hBN/Mo层状复合材料的断裂韧性,裂纹在层状材料中延伸至层界面处发生了偏转,进而阻碍了裂纹的继续传递,最终形成了“阶梯”状的断裂轨迹。然而,层界面处发生了化学反应,主要生成了钼硅间化合物Mo5Si3,该物质因其本身特有的多裂纹情况造成了层状材料致密性和抗弯强度的大幅降低。在摩擦学性能方面,人工海水盐度的增大、载荷的增大均对与Si3N4/Mo层状材料配副的TC4盘试样造成了巨大损伤,而Mo含量的变化对Si3N4/Mo层状复合材料摩擦磨损特性的影响并不明显,此外,Si3N4/Mo层状材料和TC4钛合金滑动副在变盐度与变载荷下均为磨粒磨损和粘着磨损的混合磨损机制;在海洋大气环境下,Si3N4-hBN/Mo层状复合材料与TC4钛合金摩擦副的摩擦因数和磨损率受转速变化的影响没有呈现明显的变化趋势。(3)本论文通过与相同环境下Si3N4陶瓷复合材料对比,探讨了Si3N4/Mo层状复合材料在人工海水润滑下的摩擦学机理。结果表明,同等试验参数与润滑环境下,Si3N4/Mo层状复合材料的摩擦学性能差于Si3N4陶瓷复合材料。究其原因,在层状材料的金属层区域包含了低硬度的钼单质和坚硬易碎的Mo5Si3,在摩擦过程中这些物质发生脱落造成了摩擦表面的凹陷,导致摩擦副之间的实际接触面积变小而接触压强变大,进而导致了与Si3N4/Mo层状复合材料配副的TC4发生剧烈磨损,最终影响了Si3N4/Mo层状复合材料与TC4钛合金的摩擦学性能。(4)本论文研究了 Si3N4-hBN/Mo层状复合材料层界面处的物质分布,并通过计算吉布斯自由能验证层界面处化学反应的自发性。研究发现,层状复合材料层界面处Si3N4与Mo在材料烧结成型时发生了一系列化学反应生成了钼硅间化合物,这些反应生成物的分布为Si3N4-hBN、MoSi2、Mo5Si3、Mo3Si、Mo。此外,根据计算得到的吉布斯自由能,发现Si3N4与Mo之间发生的连续化学反应均能在材料烧结温度下自发,并且,生成Mo5Si3的反应更易自发发生,证明了在金属层中Mo5Si3存在的主要原因。本论文研究表明了 Si3N4-hBN/Mo层状复合材料的层状结构可以提升材料的断裂韧性,但相比于Si3N4-hBN复合陶瓷,Si3N4-hBN/Mo层状材料在海水环境中的摩擦学性能较差,这与层界面处发生的连续化学反应生成物有关。通过这些研究,可以完善以氮化硅为基体材料在层状陶瓷材料中的理论体系,并且丰富了层状材料在海洋润滑领域实际应用的试验指导数据。