微波烧结ZrO/SiC-MoSi复相陶瓷及性能研究

摘要

MoSi2具有熔点高，密度适中，抗高温氧化性强，耐蚀性强等优势，使得其在航空和汽车等领域有着广泛的应用前景。但MoSi2室温脆性大，高温强度低阻碍了其实用化，因此室温增韧和高温补强是MoSi2实用化的关键。但传统上采用微米级第二相颗粒和单相晶须复合MoSi2，强韧化效果非常有限。微波烧结是近十余年来微波技术与材料科学与工程交叉结合而发展起来的一种新型快速烧结技术，微波烧结可解决热压烧结陶瓷难以满足各种成型，特别是航空航天对高温构件形状的要求等问题，因此进行结构陶瓷微波烧结的研究很有必要。 本文通过将纳米粒子ZrO2与微米粒子MoSi2进行复合制得纳米/微米复合粒子，并引入SiC晶须作为弥散相，利用微波烧结制备了纳米复合陶瓷材料。探讨了微波烧结工艺对材料显微结构及断口形貌的影响，测试分析了ZrO2/SiC（w）协同改性MoSi2材料的力学性能及抗氧化性能的效果。 研究表明，本实验制定的烧结工艺稳定，操作方便，配合所设计的辅助加热保温装置和选择的助热材料成功地对各组分配比材料进行了烧结。烧结温度为1600℃、保温30min时可获得相对密度为94.6％的烧结体，其烧结时间较常规烧结大幅度缩短。ZrO2的加入会导致纳米复合陶瓷的相对密度减小，孔隙率增加；而SiC晶须的加入对MoSi2基复合陶瓷致密化的影响较小。纳米ZrO2颗粒、SiC晶须的加入可以有效细化MoSi2基体晶粒，SiC比 ZrO2细化作用更为明显。纳米ZrO2颗粒和SiC晶须均可有效改善MoSi2的室温韧性，随着SiC和ZrO2总体积分数的增加，复合陶瓷的断裂韧性逐步提高，当ZrO2和SiC的体积分数分别为10％和20％时，纳米复合陶瓷的断裂韧性达到最大为6.79MPa·m1/2，为MoSi2的1.76倍。当ZrO2含量一定时，随着SiC含量增加，复合陶瓷硬度逐步升高，在SiC含量为20vol％时，硬度达到最大1293MPa，比MoSi2提高了25.9％；当SiC含量一定时，随着ZrO2含量的增加，复合陶瓷的硬度先上升后下降，在ZrO2含量为20％时硬度最小（1192MPa），但仍然比MoSi2高出16％。SiC晶须、纳米ZrO2颗粒的加入都会在不同程度上阻碍MoSi2的低温氧化，SiC的加入避免了“PEST”现象的发生，但ZrO2的加入对避免“PEST”现象贡献不大。