超高溫防-隔熱材料的制備及性能研究.pdf

1、高超聲速飛行器在超高溫度、局部瞬時(shí)加熱、高氣動(dòng)載荷和沖刷等極端環(huán)境下的服役特征對(duì)熱防護(hù)材料提出了苛刻的要求。此外，高超聲速飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間服役的過(guò)程中會(huì)面臨日益惡化的高溫水蒸氣的嚴(yán)酷環(huán)境，因此必須采用隔熱材料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)基體加以保護(hù)。而現(xiàn)有的超高溫防/隔熱材料已不能滿足應(yīng)用需求，因此研發(fā)新型超高溫防/隔熱材料對(duì)于高超聲速飛行器的發(fā)展有著重要意義。基于上述背景，本課題的主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　(1) Yb3Al5O

2、12粉體的合成和表征。以Yb2O3和Al2O3粉末作為起始原料，采用固相反應(yīng)法在空氣中經(jīng)過(guò)1150oC煅燒2小時(shí)得到純相Yb3Al5O12粉體。利用Rietveld優(yōu)化后的晶胞參數(shù)為a=11.930?，擬合得到的Yb3Al5O12的原子位置為：Yb(0.125,0,0.25)，Al(1)(0,0,0)，Al(2)(0.375,0,0.25)，O(0.2799,0.1008,0.1990)。Yb3Al5O12粉末的平均粒徑約為600 nm

3、，粉末顆粒中的微晶尺寸約為53 nm。燒結(jié)實(shí)驗(yàn)表明氬氣能促進(jìn) Yb3Al5O12在燒結(jié)過(guò)程中的致密化。Yb3Al5O12粉末在氬氣中經(jīng)過(guò)1600oC下燒結(jié)4小時(shí)后的相對(duì)密度可達(dá)到97％。
　　(2) Yb3Al5O12的力學(xué)性能和損傷容限。采用熱壓燒結(jié)法制備了接近完全致密的Yb3Al5O12塊體材料。研究了Yb3Al5O12陶瓷的力學(xué)性能，包括楊氏模量、強(qiáng)度、硬度等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Yb3Al5O12具有較高的強(qiáng)度和斷裂韌性，在壓縮過(guò)

4、程中呈現(xiàn)非災(zāi)難性破壞方式，并且斷口形貌中有層狀解理特征。赫茲接觸實(shí)驗(yàn)證實(shí)Yb3Al5O12是一種“類塑性”陶瓷。微觀結(jié)構(gòu)觀察顯示了明顯的裂紋的偏轉(zhuǎn)、橋聯(lián)和分枝，這種裂紋擴(kuò)展模式使得彈性能可以通過(guò)裂紋偏轉(zhuǎn)被耗散，從而賦予Yb3Al5O12優(yōu)異的力學(xué)性能以及良好的損傷容限能力。
　　(3) Yb3Al5O12的熱學(xué)性能。系統(tǒng)研究了Yb3Al5O12陶瓷的熱學(xué)性能，包括德拜溫度、熱膨脹系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、熱容以及熱導(dǎo)率。Yb3Al5O12

5、的德拜溫度為625 K。Yb3Al5O12在673–1273 K溫度區(qū)間內(nèi)的體膨脹系數(shù)為(23.74±0.42)×10-6 K-1，線膨脹系數(shù)為(7.83±0.14)×10-6 K-1。多晶的Yb3Al5O12的平均熱膨脹系數(shù)為(8.22±0.3)×10-6 K-1。此外，Yb3Al5O12具有低的熱導(dǎo)率，在1273 K時(shí)的熱導(dǎo)率約為2.12 W·(m·K)-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在只考慮熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率的情況下，Yb3Al5O12是一種非

6、常有前景的適用于隔熱涂層或高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用的材料。
　　(4) Yb3Al5O12的凝膠注模成型技術(shù)。采用一種無(wú)毒的水溶性的異丁烯和順丁烯二酸酐的共聚物(簡(jiǎn)稱 Isobam)與 Yb3Al5O12粉末混合，經(jīng)過(guò)澆鑄、成型得到Y(jié)b3Al5O12素坯，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后得到復(fù)雜形狀的Yb3Al5O12陶瓷。我們研究了陶瓷漿料的流變性能以及凝膠行為，揭示了流變特性機(jī)理。結(jié)果表明50 vol%的固含量和0.4 wt%的Isobam為最佳參數(shù)。此外

7、，干燥的Yb3Al5O12素坯具有高的強(qiáng)度，使其可用金屬工具進(jìn)行加工而沒(méi)有破損或剝落。燒結(jié)后得到的Yb3Al5O12陶瓷的相對(duì)密度達(dá)到94%，其彎曲強(qiáng)度可與熱壓的Yb3Al5O12材料相比擬。
　　(5)多孔Yb3Al5O12陶瓷的制備與表征?；赮b3Al5O12的凝膠注模技術(shù)，通過(guò)快速凝膠和機(jī)械發(fā)泡的方法成功制備出多孔Yb3Al5O12泡沫陶瓷。其中Isobam在漿料中既充當(dāng)分散劑又當(dāng)做凝膠劑，表面活性劑C12H25OSO3H

8、·N(C2H4OH)3(簡(jiǎn)稱Surf-E)用作發(fā)泡劑。研究了漿料的流變性能以及凝膠行為，結(jié)果表明50 vol%的Yb3Al5O12固含量、0.4 wt%的Isobam和1 vol%的Surf-E配制的陶瓷漿料為最佳化配比。此外，高氣孔率的多孔Yb3Al5O12陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度隨著相對(duì)密度的減小而減小，并且其破壞模式是以壓縮方式為主導(dǎo)的破壞。
　　(6)超高溫多孔YbB6陶瓷的制備和性能。以Yb2O3和B4C為初始原料，在沒(méi)有造孔劑的

9、情況下，利用碳化硼熱還原反應(yīng)產(chǎn)生的氣體來(lái)原位制備多孔 YbB6陶瓷。通過(guò)調(diào)節(jié)素坯密度可以控制多孔YbB6陶瓷的孔隙率和體收縮率。SEM觀察和孔徑分布的研究表明多孔YbB6陶瓷具有均勻的孔結(jié)構(gòu)，并且其孔徑分布很窄。當(dāng)多孔YbB6陶瓷的孔隙率為58.7%，密度為2.27 g/cm3時(shí)可以達(dá)到一個(gè)高的壓縮強(qiáng)度21.34 MPa。該多孔YbB6陶瓷可被用來(lái)當(dāng)做浸漬熔融金屬的基體材料，或者作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件應(yīng)用于高超聲速飛行器的防/隔熱部位。

10、>　　(7)高強(qiáng)度抗接觸損傷多孔SiC/C陶瓷的制備與表征。采用一種新的途徑來(lái)制備多孔SiC/C陶瓷。通過(guò)在碳化的松木中真空浸漬一種新型的液態(tài)聚碳硅烷，經(jīng)過(guò)熱固化和高溫陶瓷化后得到低密度(0.72 g/cm3)、高開(kāi)口氣孔率(70 vol%)的多孔SiC/C陶瓷。高溫陶瓷化后得到的多孔SiC/C陶瓷沒(méi)有形成任何裂紋和缺陷，并且具有均勻的孔分布。用該方法制備得到的多孔SiC/C陶瓷與常規(guī)的方法得到的多孔材料相比，具有高的壓縮強(qiáng)度(37.2

11、3 MPa)。赫茲壓痕實(shí)驗(yàn)表明多孔SiC/C陶瓷屬于一種“準(zhǔn)塑性”材料，具有優(yōu)異的抵抗接觸損傷的能力。
　　(8) ZrC-SiC復(fù)合粉末的合成及氧化性能。通過(guò)一種新型的液態(tài)雜化前驅(qū)體經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤獾玫絑rC-SiC復(fù)合粉末。在沒(méi)有外加溶劑的情況下，將有機(jī)含鋯聚合物(PZC)直接溶解到液態(tài)聚碳硅烷(LPCS)中得到雜化的LPCS-PZC前驅(qū)體，在氬氣中1550oC熱解后得到ZrC-SiC復(fù)合粉末。通過(guò)改變LPCS/PZC質(zhì)量比可調(diào)節(jié)