3Y-ZrO2纖維增韌ZrB2基超高溫陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、超高溫材料是指能夠在超高溫環(huán)境(>2000℃)以及反應(yīng)氣氛中(原子氧、等離子體)保持物理、化學(xué)穩(wěn)定性的一類特殊材料,其中ZrB2基超高溫陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度及抗熱震性等優(yōu)點(diǎn),成為使用于極端環(huán)境下的新型候選材料。本研究針對(duì)ZrB2基超高溫陶瓷材料相對(duì)較低的韌性和抗熱沖擊性等缺點(diǎn),引入3Y-ZrO2纖維作為增韌相,利用其具備纖維和相變雙重增韌的效果,以達(dá)到改善材料本征脆性的目的。采用熱壓燒結(jié)法制備了ZrO2纖維增韌的ZrB2基超高溫陶

2、瓷復(fù)合材料,深入研究了材料合成工藝中球磨時(shí)間、燒結(jié)速率、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、原料形貌、材料組分等因素對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的影響,得出了制備ZrO2纖維增韌ZrB2基超高溫陶瓷復(fù)合材料的最優(yōu)組分和工藝。利用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、電子背散射衍射(EBSD)及能譜分析(EDS)等技術(shù)對(duì)復(fù)合材料的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究?；跀嗔蚜W(xué)理論,采用包絡(luò)線法和壓痕-彎曲強(qiáng)度法研究了材料的阻力曲線行為,并且結(jié)

3、合材料的微結(jié)構(gòu)特征分析了材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。最后利用爐內(nèi)靜態(tài)氧化考核了ZrO2纖維增韌ZrB2基超高溫陶瓷復(fù)合材料的裂紋自愈合與預(yù)氧化性能。
　　單獨(dú)引入ZrO2纖維到ZrB2基體雖然能夠抑制ZrB2晶粒的長大,但是為了提高ZrB2-ZrO2f二元陶瓷體系的致密度需要較高的燒結(jié)溫度和較長的保溫時(shí)間,會(huì)對(duì)纖維造成損害,不利于達(dá)到增韌的效果。優(yōu)化復(fù)合材料的體系設(shè)計(jì),選用碳化硅顆粒(SiCp)或者碳化硅晶須(SiCw)復(fù)合添加制備了ZrB

4、2-SiC-ZrO2f三元陶瓷。研究了制備工藝,球磨20h獲得混合均勻的粉體,纖維長短均一且在基體中均勻分布,熱壓燒結(jié)升溫速率為3.75℃·min-1,降溫速率為1.67℃·min-1,在1850℃,30MPa,保溫1h可以制成致密的陶瓷塊體材料。材料組成為ZrB2-20vol.％SiCp--15vol.%ZrO2f(記為Z20Sp15Zf)和ZrB2-20vol.%SiCw-15vol.%ZrO2f(記為Z20Sw15Zf)的室溫彎曲

5、強(qiáng)度和斷裂韌性分別為1084MPa、680MPa和6.8MPa·m1/2、8.0MPa·m1/2,并且兩種材料900℃的高溫彎曲強(qiáng)度分別為604MPa和724MPa。
　　利用透射電鏡技術(shù)觀察了ZrB2-SiC-ZrO2f復(fù)合材料的界面特征,Z20Sp15Zf復(fù)合材料的晶界界面輪廓比較模糊歸因于SiC晶粒與ZrO2纖維之間發(fā)生微量反應(yīng);而Z20Sw15Zf復(fù)合材料的晶界界面清晰,沒有明顯反應(yīng)層。衍射斑點(diǎn)標(biāo)定結(jié)果表明ZrO2纖維的主

6、相為t相,相變的相位關(guān)系符合(100)m//｛100｝t,［001］m//〈001〉t晶體學(xué)關(guān)系,t-ZrO2相的存在是發(fā)生相變?cè)鲰g的必要條件。此外EBSD分析結(jié)果證實(shí)了在熱壓燒結(jié)制備的三元ZrB2-SiC-ZrO2f復(fù)合材料中,氧化鋯纖維具有相似的取向關(guān)系。Z20Sp15Zf材料中ZrB2和SiC晶粒隨機(jī)分布,宏觀上表現(xiàn)出各向同性;而Z20Sw15Zf材料表現(xiàn)出明顯的擇優(yōu)取向,宏觀上各向異性。在兩種材料中均存在低能的小角度晶界和低Σ值

7、的CSL晶界,直接關(guān)系到多晶材料的力學(xué)性能。
　　陶瓷的阻力曲線行為可以準(zhǔn)確地表征材料的韌性,具有阻力曲線行為的材料在工程應(yīng)用上擁有較高的可靠性,強(qiáng)度數(shù)據(jù)離散性小。選用Vickers壓痕-彎曲強(qiáng)度法和包絡(luò)線法研究了ZrO2纖維增韌ZrB2基陶瓷的阻力曲線行為。研究表明,采用ZrO2纖維增韌的ZrB2基陶瓷表現(xiàn)出明顯的阻力曲線行為。根據(jù)增韌理論模型定量化分析了每種增韌機(jī)制的貢獻(xiàn),利用線性疊加法計(jì)算了總斷裂韌性Ktot。相對(duì)于Z20S

8、p15Zf復(fù)合材料,Z20Sw15Zf陶瓷基復(fù)合材料具有較高的斷裂韌性,歸功于裂紋偏轉(zhuǎn)和橋聯(lián)增韌的效果分別提高了97%和5%,拔出增韌效果提高了26%,相變?cè)鲰g效果提高了15%。SiC晶須的加入不僅發(fā)揮了晶須增韌的效果,還證實(shí)了弱界面有利于實(shí)現(xiàn)裂紋偏轉(zhuǎn),對(duì)于其他增韌機(jī)制也有促進(jìn)作用。
　　系統(tǒng)地研究了ZrB2-SiC-ZrO2f復(fù)合材料預(yù)氧化和裂紋自愈合行為。Z20Sp15Zf和Z20Sw15Zf兩種材料表現(xiàn)出不同的氧化敏感性,Z

9、20Sp15Zf材料的氧化起始溫度為800℃,低于Z20Sw15Zf材料的1000℃,Z20Sw15Zf材料的氧化速率低于Z20Sp15Zf材料。過快的氧化速率會(huì)使材料表面生成過多的氧化層,造成力學(xué)性能有所下降。800℃預(yù)氧化30min的Z20Sw15Zf材料彎曲強(qiáng)度提高至757±23MPa,比原始強(qiáng)度提高了11%,主要是由于相對(duì)較低的氧化速率降低了表面的氧化程度,新生成的細(xì)小顆粒填充于原始材料表面的微缺陷之間,形成了致密的氧化薄層,起