摘 要

SiC陶瓷不只具备优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优秀的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，并且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。其高温强度可始终维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度中的最好材料。抗氧化性也是一切非氧化物陶瓷中最好的，直到1750℃才剧烈氧化。是一种普遍应用的高温结构陶瓷。Ni₃Al金属间化合物具有较高的熔点，较低的密度及高温时高的强度。作为一种新型高温结构材料在航空航天领域有着重要应用。二者在熔融前具备良好的化学稳定性，可以将二者梯度化复合以实现在大温差环境下的应力缓和。

本课题主要研究不同比例下二者同时致密化工艺及梯度复合工艺。在不同比例的SiC和Ni₃Al在烧结助剂8%Al30MPa1250℃下进行放电等离子烧结制样，然后分别测试其热力学性能和参数，根据这些参数进行有限元分析，确定最好制备SiC和Ni₃Al的梯度材料的配比。

研究结果表明：SiC和Ni₃Al和复合材料的热力学参数随着Ni₃Al的含量的增大而增大。其制备SiC/Ni₃Al的梯度材料的最优的P值为1.1.

关键词：SiC；Ni₃Al；Al；热压烧结；烧结助剂；有限元分析

Abstract

SiC ceramics not only have excellent mechanical properties at room temperature, such as bending strength, high excellent oxidation resistance, good corrosion resistance, high wear resistance and low friction coefficient, and high temperature mechanical properties (strength, creep resistance, etc.) is the best known ceramic materials. Its high temperature strength can be maintained to 1600 degrees centigrade, and it is the best material in the high temperature strength of ceramic materials. Oxidation resistance is also the best of all non oxide ceramics, which does not oxidize until 1750℃. Is a widely used high temperature structural ceramics. Ni₃Al intermetallic compounds have higher melting point, lower density and higher strength at high temperature. As a new type of high temperature structural material, it has important applications in the aerospace field. Two of them have good chemical stability before melting, and they can be combined with two gradients so as to realize stress relaxation in large temperature difference environment.

In this paper, we mainly study the densification process and gradient composite process of two different proportions.n the different proportion of SiC and Ni3Al in the sintering temperature of 8%Al30MPa1250℃discharge plasma sintering sample preparation, and then test its performance and thermodynamic parameters, finite element analysis is carried out according to these parameters, to determine the best preparation of gradient materials of SiC and Ni3Al ratio.

The results show that:The thermodynamic parameters of SiC and Ni3Al and composites increase with the increase of Ni3Al content. The optimum P value of the gradient material prepared by SiC/N_i3Al is 1.1.

Key Words：SiC；Ni₃Al；Al；Hot pressing sintering；Sintering aid；Finite element analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 SiC的基本性质 1

1.2 Ni₃Al的基本性质 3

1.3 SiC烧结助剂的选择 3

1.4 功能性梯度材料的研究现状 4

1.5 本论文的提出和意义 5

第2章 SiC和Ni₃Al复合材料的制备 6

2.1 前言 6

2.2 实验与测试 6

2.2.1 实验原料 6

2.2.2 实验设计与工艺流程 7

2.2.3 测试 7

2.3 结果和讨论 8

2.3.1 SiC和Ni₃Al复合材料的烧结致密化 8

2.3.2 SiC和Ni₃Al复合材料的显微机构 9

2.3.3 SiC和Ni₃Al复合材料的力学性能 10

2.3.4 SiC和Ni₃Al复合材料的热学性能 11

2.4 小结 13

第3章 SiC/Ni₃Al的梯度材料设计与制备 14

3.1 引言 14

3.2 SiC/Ni₃Al的梯度材料的设计与优化 14

3.2.1 计算模型 14

3.2.2 计算结果分析 16

3.2.3 SiC/Ni₃Al的梯度材料优化 17

3.3 SiC/Ni₃Al的梯度材料的制备 18

3.4 小结 19

第4章 结论 20

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

人类社会随着时光的流逝而不断发展，人们的对生活品质和科研水平在不断提高，导致人们对材料性能和能源动力的要求也越来越髙。在科学技术迅猛发展和全球一体化的同时，材料对各个国家的发展和社会的建设起着十分重要的作用^[6]。在人类的好奇心和探索欲望作用下，人们对许多未知领域的探索在不停前进，如深海和航空航天探索，所以人们对制造机器设备的材料的要求和性能也越来越髙和多样化。

而当今社会拥有并主要使用的是三种固体，分别是材料陶瓷材料，金属材料和有机高分子材料。而先进陶瓷材料因为其拥有超过许多其他材料的的优点，如：耐高温，抗氧化，硬度高和不易氧化等等而被广泛关注。可用作结构材料、刀具材料，在许多种材料凸显而出，导致科研人员对其进行大量研究开发。但因为是陶瓷材料还是一定的固有缺点，如：韧性差，抗弯强度差和工艺重复性差。这些都是需要改善的地方就是研究人员的课题。