反应烧结二硼化锆超高温陶瓷材料的工艺和性能研究

摘要

二硼化锆(ZrB2)陶瓷具有高熔点、高硬度、良好的导热导电性、良好的抗氧化性和抗腐蚀性等优点，是目前在航空航天领域最有应用潜力的超高温材料之一。但是，由于ZrB2的高熔点、极强的共价键、较低的体积扩散速率以及原料表面氧化物等特性，往往需要极高的烧结温度和压力才能完成ZrB2陶瓷的致密化过程，制备成本极高;另外，由于其韧性差和高温抗氧化性能差等特点也限制了其应用发展。
　　 本文依照多相复合强韧化设计思路，以ZrB2、ZrC和Si粉为原料，采用反应烧结工艺，在反应烧结过程生成SiC和ZrSi2复合增韧ZrB2，通过对原料配方和制备工艺参数的控制，改善ZrB2陶瓷的烧结性能，降低烧结温度，并协同强韧化ZrB2陶瓷，提高材料力学性能和高温抗氧化性能。分别采用SPS反应烧结和热压反应烧结制备ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料。采用XRD、SEM手段对样品的物相组成和微观形貌进行表征，并测定样品的各项性能。对ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料进行高温静态氧化实验，评价其抗氧化性能和探究其氧化机制。
　　 在1500℃，40MPa压力，保温10min，真空条件下，利用SPS反应烧结制备出接近100％相对密度的ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料。该复合材料的密度和力学性能都随着SiC和ZrSi2的含量增加而先增后减，当SiC和ZrSi2的共同含量为30wt.％时，其致密度达到为100％，维氏硬度达到最大值19.1±2.3GPa，抗弯强度和断裂韧性也分别达到最大值471±15MPa和7.33±0.24MPa·m1/2。当SiC和ZrSi2的共同含量为40wt.％时，部分SiC和ZrSi2的团聚造成材料相分布不均匀，从而导致ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料的力学性能有所下降。
　　 在1600℃、20MPa压力、保温1h，氩气保护条件下，热压反应烧结制备出98.1％相对密度的ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料。该复合材料的致密度和力学性能同样随着SiC和ZrSi2的含量增加而先增后减，与SPS反应烧结制备出的ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料所呈现的变化趋势相近。当SiC和ZrSi2的共同含量为30wt.％时，其力学性能达到最优值，抗弯强度和断裂韧性分别为279±32MPa和5.22±0.18MPa·m1/2。
　　 通过高温静态氧化的方法研究了ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料的抗氧化特性。分别在1200℃、1300℃、1400℃和1500℃下，经过30分钟的氧化后，ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料的增重量随着SiC和ZrSi2含量的增加呈明显的下降趋势。在ZrSi2和SiC的共同含量为30wt.％时，ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料增重量达到最低。高温氧化过程中，样品表面氧化形成的SiO2玻璃相的厚度随着ZrSi2和SiC的含量的增加而增加，从而起到阻碍氧元素扩散的作用，提高了ZrB2陶瓷材料的抗氧化性能。在SiC和ZrSi2的引入含量为30wt.％时，ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料的高温抗氧化性能达到最好。

目录

声明

摘要

图表清单

1 绪论

1．1 选题意义和背景

1．2 ZrB2基超高温陶瓷材料的研究现状

1．2．1 ZrB2的性质

1．2．2 ZrB2基超高温陶瓷复合材料的烧结方法及研究进展

1．2．3 ZrB2基超高温陶瓷的抗氧化研究

1．2．4 ZrB2基超高温陶瓷的应用领域

1．3 本研究课题的思路、来源、主要研究内容及创新点

1．3．1 本课题的来源

1．3．2 研究思路

1．3．3 研究内容

1．3．4 创新点

2 实验总体方案与实验设备

2．1 引言

2．2 实验总体方案设计

2．3 实验原料及配比

2．3．1 实验原料

2．3．2 实验配比

2．4 实验设备

2．5 ZrB2-ZrC-Si陶瓷粉体的制备

2．6 性能测定与表征

2．6．1 密度的测定

2．6．2 显微硬度的测定

2．6．3 抗弯强度和断裂韧性的测定

2．6．4 氧化性能测定

2．7 材料的物相组成和显微结构分析

2．7．1 物相分析

2．7．2 微观结构与形貌分析

3 SPS反应烧结ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料的工艺及性能研究

3．1 引言

3．2 实验方法

3．3 SPS制备ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料的性能测定与表征

3．3．1 SPS烧结致密化过程分析

3．3．2 SPS制备ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料物相组成

3．3．3 SPS制备ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料致密度及硬度分析

3．3．4 SPS制备ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料抗弯强度和断裂韧性

3．3．5 SPS制备ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料显微结构分析

3．4 本章小结

4 热压反应烧结ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料的工艺及性能研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．3 热压制备ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料的性能测试与表征

4．3．1 热压制备ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料物相组成

4．3．2 热压制备ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料致密度分析

4．3．3 热压制备ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料显微结构分析

4．3．4 热压制备ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料力学性能分析

4．4 SPS反应烧结和热压反应烧结对比及总结

4．5 本章小结

5 ZrB2-SiC-ZrSi2超高温陶瓷复合材料的抗氧化性能研究

5．1 引言

5．2 抗氧化实验样品与设备

5．2．1 实验样品

5．2．1 实验设备

5．3 实验方法

5．4 ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料抗氧化性能表征

5．4．1 ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料氧化后重量变化

5．4．2 ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷氧化后表面微观形貌

5．4．3 ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料氧化层横截面分析

5．5 ZrB2-SiC-ZrSi2陶瓷复合材料氧化机理分析

5．6 本章小结

6 结论

参考文献

个人简历

硕士期间发表论文、学术成果及获得奖励

致谢