Csf-ZrB2--ZrSi2超高溫陶瓷復合材料的低溫制備技術及強韌機理研究.pdf

1、近年來，高超聲速飛行器由于其巨大的軍事價值已成為國內(nèi)外的研究熱點。在穿越大氣層過程中，高超聲速飛行器會經(jīng)歷強烈的氣動熱效應，尤其是其鼻錐和翼前緣，表面溫度可達2000℃以上，因此傳統(tǒng)的熱防護材料已很難適用于如此苛刻的服役環(huán)境。二硼化鋯(ZrB2)作為一種超高溫陶瓷，由于其高熔點、高熱導、低密度以及優(yōu)良的抗氧化、耐燒蝕等特點，被認為是高超聲速飛行器鼻錐、翼前緣等關鍵部位的理想候選材料。然而，ZrB2陶瓷較差的可燒結性以及本質(zhì)的脆性在一定程

2、度上限制了其應用。
　　針對上述問題，向ZrB2陶瓷中添加燒結助劑以及采用短切纖維增韌成為現(xiàn)研究階段最有效的解決方法之一。然而，纖維增韌ZrB2陶瓷基復合材料在熱壓制備過程中存在如下幾個問題:首先，所需的燒結溫度過高，即使在添加燒結助劑的情況下，仍然需要較高的燒結溫度才能實現(xiàn)完全致密化，需要對燒結助劑進行優(yōu)選;在燒結過程中，基體中的元素容易與纖維發(fā)生化學反應，導致纖維發(fā)生腐蝕，并且隨著燒結溫度的提升以及保溫時間的延長，纖維的腐蝕程

3、度逐漸加重;另一方面，纖維在向基體的引入過程中，纖維的分散均勻性也是影響材料微觀組織結構和性能的一個重要因素。因此，研究纖維增韌ZrB2基復合陶瓷的低溫制備技術及強韌性機理對改善其服役性能具有十分重要的意義。
　　為了進一步降低燒結溫度并實現(xiàn)ZrB2陶瓷的快速致密化，本文采用二硅化鋯(ZrSi2)作為燒結助劑，首先通過調(diào)節(jié)燒結助劑含量和燒結溫度的變化，優(yōu)化燒結助劑的含量和燒結溫度。然后，在此基礎之上采用短切碳纖維(Csf)進行增韌

4、，熱壓燒結了Csf/ZrB2-ZrSi2超高溫陶瓷基復合材料。期間，通過調(diào)節(jié)纖維含量、纖維表面活性以及纖維/基體界面，提升Csf/ZrB2-ZrSi2系復合陶瓷的斷裂韌性。本文的主要實驗內(nèi)容與結果如下:
　　(1)通過添加ZrSi2燒結助劑，實現(xiàn)了ZrB2基復合陶瓷的低溫快速致密化。研究表明，ZrSi2含量和燒結溫度均對ZrB2-ZrSi2的密實行為產(chǎn)生顯著影響。首先，隨著ZrSi2含量增加，密實化速度逐漸提升，并且起始密實化溫度

5、逐漸降低;其次，隨著燒結溫度的上升，密實化速度逐漸提升，并且密實化進程逐漸趨于完善;當ZrSi2含量達20vol％時，可在1550℃熱壓燒結出相對密度約為99％的ZrB2-ZrSi2復合陶瓷。
　　(2)通過添加Csf作為增韌相，可以明顯提升ZrB2-ZrSi2復合陶瓷的斷裂韌性。研究發(fā)現(xiàn)，當纖維含量為5、10、20vol％時，其在基體中的分散較為均勻，然而當纖維含量達到30vol％時，便開始出現(xiàn)明顯的纖維團聚現(xiàn)象，從而使Csf/

6、ZrB2-ZrSi2的力學性能顯著下降。整體來講，當纖維含量為20vol％時，Csf/ZrB2-ZrSi2的斷裂韌性最高，同ZrB2-ZrSi2復合陶瓷相比，大約提升了55％。同時也發(fā)現(xiàn)，在制備Csf/ZrB2-ZrSi2復合材料過程中，機械球磨對纖維形成了研磨損傷，并且在燒結過程中，纖維發(fā)生了化學腐蝕;研磨損傷和化學腐蝕導致纖維性能降級，使得纖維的增韌效果受限。
　　(3)為了降低基體元素對纖維的化學腐蝕，通過纖維的高溫熱處理，

7、使纖維表面活性降低，從而明顯抑制了其在熱壓燒結過程中的化學腐蝕。結果發(fā)現(xiàn)，將纖維在高溫熱處理后，纖維高溫熱穩(wěn)定性明顯改善、石墨化程度有所提高、活性含氧官能團含量顯著下降、碳氧比(C/O)大幅增加，從而導致基體元素對纖維的腐蝕程度明顯減輕，使Csf/ZrB2-ZrSi2復合材料的斷裂韌性進一步提升了11％。
　　(4)為了弱化球磨導致的纖維研磨損傷，采用膠體分散工藝代替球磨分散工藝，有效地避免了球磨對纖維造成的研磨損傷。結果顯示，膠