ZrB2基超高温陶瓷及其连接件的抗烧蚀与热冲击性能研究

摘要

高超声速飞行器的发展对于太空探索及国家安全都具有重大战略意义。在高速进入大气层的过程中，飞行器将面临极端服役环境，其热防护结构及材料遭受热侵蚀、氧化、热冲击等严峻考验。超高温陶瓷（UHTC）在极端环境中能够保持物理和化学性质稳定，被认为是高超声速飞行器最佳候选热防护材料之一。然而，UHTC材料固有脆性、抗热冲击性能差等缺点，限制了其在航空航天领域的应用。此外，限制于UHTC的制备技术，将UHTC连接成大型结构件应用于高超声速飞行器热防护系统是极为必要的。连接结构须经受复杂热冲击环境的考验，其抗烧蚀性能、抗热冲击性能直接决定了高超声速飞行器服役寿命。因此如何准确表征、评价及提高UHTC材料及连接结构的抗烧蚀性能、抗热冲击性能一直是UHTC领域研究的重点和热点。 本文首先利用放电等离子烧结方法制备了ZrB2–0.5vol.%SiC和ZrB2–20vol.%SiC，并采用纳米压痕法研究分析了其力学性能。此外，基于拉曼光谱发法测量了ZrB2–20vol.%SiC超高温陶瓷中SiC相的残余应力。结果发现，SiC相主要表现为压应力，其平均值为300MPa左右。 同时利用等离子喷枪对ZrB2–0.5vol.%SiC超高温陶瓷进行了烧蚀试验。通过微观组织形貌及质量变化情况分析可得：（1）循环烧蚀对试样的损伤情况比单次烧蚀更严重；（2）循环烧蚀因其循环热冲击损伤模式会使试样表面产生微裂纹，氧气通过裂纹渗入试样内部，从而导致氧化反应更为严重。 本文利用放电等离子烧结和热压法，以Ni作为钎焊材料连接了ZrB2–20vol.%SiC超高温陶瓷试件；并对不同方法连接的陶瓷接头的微观组织形貌及其元素分布情况进行了分析。结果表明：（1）陶瓷接头可分为初始陶瓷层、过渡层和残留Ni层三个部分；（2）放电等离子烧结连接的陶瓷接头的元素分布更均匀。并在此基础上利用石英灯热冲击试验平台对陶瓷接头进行循环热冲击试验。结果表明：（1）放电等离子烧结连接的陶瓷接头均有更强的抗循环热冲击性能；（2）陶瓷接头的裂纹易产生区域在过渡层和陶瓷层之间的界面处和残余Ni层。 综上所述，本文对采用放电等离子烧结法烧结了ZrB2基陶瓷，并测试了其基本力学性能和残余应力；并采用等离子喷枪对该陶瓷试样进行了循环烧蚀试验。此外，采用放电等离子烧结和热压法连接了ZrB2基陶瓷，并利用石英灯热冲击试验平台测试了陶瓷接头的抗循环热冲击性能。本文的研究结果对UHTC在高超声速飞行器热防护系统上的应用具有一定的指导意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外现状

1.2.1 超高温陶瓷制备工艺

1.2.2 超高温陶瓷热冲击性能研究现状

1.2.3 超高温陶瓷连接方法

1.3 本文工作

第二章 ZrB2基超高温陶瓷力学性能及其残余应力表征

2.1 材料制备工艺

2.2 力学性能表征

2.3 残余应力测试

2.3.1 峰位法

2.3.2 谱带重心法

2.4 本章小结

第三章超高温陶瓷的抗循环烧蚀性能

3.1 循环烧蚀试验方案

3.2 宏观及微观形貌演化

3.2.1 宏观形貌演化

3.2.2 微观形貌演化

3.3 质量烧蚀率计算

3.4 本章小结

第四章 ZrB2基陶瓷连接及循环热冲击性能表征

4.1 连接工艺及其微观形貌分析

4.1.1 连接工艺

4.1.1 连接区域微观形貌分析

4.2 连接机理分析

4.2.1 元素分布情况分析

4.2.2 物相组织分析

4.3 连接区域残余应力测试

4.4 连接接头抗热冲击性能研究

4.4.1 热冲击试验方案

4.4.2 接头微观形貌演化

4.5 本章小结

第五章 全文总结与工作展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢