ZrB2-SiC基超高温陶瓷材料的热冲击性能研究

摘要

ZrB2基超高温陶瓷高温综合性能优异，在高温结构材料方面具有很大的应用前景。但其较差的抗热冲击性能和较低的损伤容限在一定程度上制约了其工程应用。针对这一问题，研究人员也通过多种方法完善该类材料的抗热冲击性能，并取得了一定研究成果。考核材料抗热冲击性能的传统方法多采用方形试样件（高×宽×长=3mm×4mm×36mm）为研究对象，但这类形状的试样在热冲击过程中棱角处容易产生较为明显的应力集中，影响材料的真实抗热冲击性能的评价。采用圆棒状试样替代方形试样考核超高温陶瓷的抗热冲击性能可以降低应力集中对该类材料抗热冲击性能评价的影响。因此本文采用圆棒状试样（Φ4～10mm×34mm）与方形试样在同一条件下对ZrB2-SiC基超高温陶瓷材料进行了淬火-强度实验，研究了形状、尺寸等因素对此类材料抗热冲击性能的影响。
　　研究了形状（方形、圆棒）和尺寸（直径4mm、6mm、10mm）对ZrB2-20vol.%SiC（ZS）陶瓷抗热冲击性能的影响。圆棒状试样显著提高了材料热冲击断裂抗性，并改善了材料的热冲击损伤抗性；而且，随着试样直径的增大， ZS陶瓷抗热冲击性能下降。初步研究了预氧化温度对ZS陶瓷材料抗热冲击性能影响。预氧化后试样初始强度和抗热冲击性能皆得以大幅提高，且从微观角度对试样表面和内部变化进行了分析。
　　研究了形状、尺寸对ZrB2-20vol.%SiC-15vol.%G（ZS15G）陶瓷以及形状对ZrB2-20vol.%SiC-20vol.%G（ZS20G）抗热冲击性能的影响。圆棒试样减少了棱角应力集中的影响，提高了材料热冲击临界温差等相关宏观表征参数；而且ZS15G陶瓷的抗热冲击性能同样存在尺寸效应。此外，受热压方向影响，ZS15G陶瓷试样的力学性能和一些热物理性能存在各向异性，导致其抗热冲击性能也存在一定方向性。还探究了预氧化对ZS15G陶瓷和ZS20G陶瓷抗热冲击性能的影响。随着氧化温度的升高，材料的初始强度和抗热冲击性能均得以提升，且在1400℃时，随着氧化时间的增加（30～60min），ZS20G陶瓷的力学性能和抗热冲击性能也均得到提高。
　　利用有限元计算，分析了不同形状和尺寸ZS、ZS15G、ZS20G陶瓷材料热冲击过程中温度场和应力场。比较了不同形状和尺寸试样应力分布和大小，同时分析了热压方向对ZS15G陶瓷抗热冲击性能的影响。模拟结果都较好的反映了形状、尺寸以及热压方向对材料抗热冲击性能的影响，和实验结果相对吻合。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 ZrB2基超高温陶瓷材料研究现状

1.3 热冲击理论研究现状

1.4 热冲击实验研究现状

1.5 热冲击模拟研究现状

1.6 主要研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验原材料及制备方法

2.2 实验方法

第3章 ZrB2-SiC陶瓷热冲击性能研究

3.1 引言

3.2 试样形状对材料抗热冲击性能的影响

3.3 试样尺寸对材料热冲击性能的影响

3.4 预氧化对材料热冲击性能的影响

3.5 对不同形状和尺寸的数值模拟

3.6 本章小结

第4章 ZrB2-SiC-G热冲击性能研究

4.1 引言

4.2 试样形状对材料热冲击性能的影响

4.3 尺寸对材料抗热冲击性能的影响

4.4 热压方向对材料抗热冲击性能的影响

4.5 预氧化对ZrB2-SiC-G热冲击性能的影响

4.6 ZrB2-SiC-G材料热冲击数值模拟

4.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢