納米粉體對(duì)ZrB2基超高溫陶瓷的制備及性能影響研究.pdf

1、過渡族金屬硼化物基超高溫陶瓷復(fù)合材料具有耐高溫、耐燒蝕、抗沖刷等優(yōu)良特性,被認(rèn)為是適用于極端環(huán)境下使用的新型耐高溫結(jié)構(gòu)材料。本研究針對(duì)目前超高溫陶瓷材料強(qiáng)韌化以及抗熱沖擊方面的缺點(diǎn),首先以微米ZrB2為基體,納米SiC(SiCnp)為第二相,石墨(G)為第三相,利用熱壓燒結(jié)制備出致密的ZrB2-SiCnp-G(ZSnpG)復(fù)合材料。之后將納米ZrB2(ZrB2np)作為基體引入超高溫陶瓷,與納米SiC粉體混合后制備了ZrB2np-SiC

2、np復(fù)合材料。利用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)及能譜分析(EDS)等對(duì)添加納米粉體的超高溫陶瓷復(fù)合材料的組織結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了研究。
　　利用沉降實(shí)驗(yàn)、激光粒度測(cè)試和TEM等方法,研究了納米ZrB2和SiC粉體的分散性,并在單相粉體的分散體研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了兩種粉體的共分散性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納米粉體的分散行為強(qiáng)烈依賴于溶液的pH值、分散劑的類型和用量。通過添加1wt.％或更多的PEI,同時(shí)調(diào)節(jié)pH值低于10,可以獲得均勻

3、分散的ZrB2和SiC納米復(fù)合粉體。
　　考察了燒結(jié)溫度對(duì)ZrB2-SiCnp-G復(fù)相陶瓷材料組織性能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)燒結(jié)溫度為1800℃時(shí),材料無法完全致密,并且隨著石墨含量的增加材料的致密度降低;在高于1840℃下燒結(jié)后的ZSnpG復(fù)相陶瓷的相對(duì)密度接近完全致密,并且由石墨含量不同導(dǎo)致致密度不同的現(xiàn)象也隨之消失。當(dāng)石墨含量相同時(shí),隨著燒結(jié)溫度的升高,材料的彎曲強(qiáng)度逐漸上升,尤其是1880℃之前,上升較為明顯,之后材料強(qiáng)度的

4、增加相對(duì)緩慢,同時(shí)材料的韌性也會(huì)略有下降。
　　研究了石墨含量對(duì)ZrB2-SiCnp-G復(fù)相陶瓷材料組織性能的影響。結(jié)果表明,在相同的燒結(jié)溫度下,隨著石墨含量的增加,ZSnpG復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低,材料的斷裂韌性也略有下降。隨著石墨含量的增加導(dǎo)致了材料抗熱沖擊能力以及熱沖擊后的殘余強(qiáng)度提高。含10vol.%石墨材料的臨界熱震溫差ΔTc=370℃,含20vol.%石墨材料的ΔTc=420℃,含30vol.%石墨材料的

5、ΔTc=435℃。含10vol.%石墨材料在經(jīng)過熱沖擊后的殘余強(qiáng)度約為90MPa,含20vol.%石墨材料的殘余強(qiáng)度約為120MPa,而含30vol.%石墨材料的殘余強(qiáng)度大于150MPa。
　　探討了石墨粒徑對(duì)ZrB2-SiCnp-G復(fù)相陶瓷材料組織性能的影響。結(jié)果表明,在相同的燒結(jié)工藝和材料組分條件下,對(duì)于ZrB2-20vol.%SiCnp-20vol.%G復(fù)相陶瓷材料,當(dāng)添加的石墨直徑由5μm增加到10μm時(shí),材料的彎曲強(qiáng)度隨

6、之增大。但當(dāng)石墨直徑增加到20μm時(shí),材料的強(qiáng)度卻發(fā)生明顯降低。在石墨粒徑增加的過程中,材料的斷裂韌性卻沒有發(fā)生十分明顯的變化。當(dāng)石墨直徑為5μm和10μm時(shí),材料接近完全致密。但當(dāng)石墨直徑增加到20μm時(shí),材料的致密度卻略有降低至98.7%。隨著石墨粒徑的增加,各組分材料的臨界熱震溫差基本相同(約425℃),但熱沖擊后的殘余強(qiáng)度卻不同。較小直徑的石墨有助于提高陶瓷材料的強(qiáng)度和阻礙熱沖擊過程中裂紋的萌生(提高R值),而較大直徑的石墨則會(huì)

7、降低材料的強(qiáng)度能但會(huì)阻礙熱沖擊過程中裂紋的擴(kuò)展,并保持較高的殘余強(qiáng)度(提高R""值)。
　　考察了ZrB2-SiCnp-G復(fù)相陶瓷材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。ZSnpG復(fù)合陶瓷材料實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化的主要原因在于內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)二者的強(qiáng)韌化機(jī)制的有效結(jié)合所致。納米SiC形成內(nèi)晶型結(jié)構(gòu)會(huì)誘發(fā)穿晶斷裂,使材料具有了較高的強(qiáng)度并降低了由于添加石墨而導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低的負(fù)面效果;另一方面,材料韌性的提高主要是由于石墨引發(fā)了裂紋的偏轉(zhuǎn),而這種效應(yīng)由于納米S

8、iC的加入而得到了增強(qiáng),因?yàn)榱鸭y在穿晶后已經(jīng)消耗了大量的能量,這樣更有利于石墨對(duì)于裂紋偏轉(zhuǎn)的誘導(dǎo)。ZSnpG復(fù)相陶瓷表現(xiàn)出很明顯的R-曲線效應(yīng)即是材料強(qiáng)韌化的有力體現(xiàn)。
　　研究了ZrB2-SiCnp-G復(fù)相陶瓷材料的抗燒蝕性能。結(jié)果表明,對(duì)ZrB2-20vol.%SiCnp-20vol.%G組分材料的氧化燒蝕行為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高頻等離子風(fēng)洞燒蝕實(shí)驗(yàn)中,燒蝕425s后,試樣表面溫度維持在1700℃左右,接近零燒蝕率,燒蝕后仍保持良

9、好的完整性,沒有出現(xiàn)裂紋;同時(shí),冷卻后的試樣表面的氧化層也沒有發(fā)生脫落現(xiàn)象,這說明氧化層較薄并與試樣基體有較好的結(jié)合強(qiáng)度,試樣表面的氧化物主要是SiO2玻璃。
　　對(duì)納米ZrB2陶瓷的燒結(jié)工藝過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,傳統(tǒng)的單步燒結(jié)不適合納米的ZrB2陶瓷的制備。納米的ZrB2晶粒生長(zhǎng)的控制,可以由多步驟的燒結(jié)實(shí)現(xiàn)。納米ZrB2的致密化起始溫度是在約1300℃。納米ZrB2的相對(duì)密度在利用優(yōu)化后的多步燒結(jié)工藝燒結(jié)后達(dá)到80%左右,

10、而彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分別為599.45MPa和4.17MPa·m1/2。利用主燒結(jié)曲線理論對(duì)納米ZrB2粉體的燒結(jié)激活能進(jìn)行研究,結(jié)果表明納米ZrB2粉體的燒結(jié)激活能為863kJ/mol,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于微米ZrB2粉體。
　　對(duì)納米ZrB2粉體燒結(jié)過程進(jìn)行了原位觀察。結(jié)果表明,在溫度較低時(shí),晶粒自身和晶粒之間在升溫的過程中都沒有出現(xiàn)明顯的變化;納米ZrB2粉體的傳質(zhì)在1000℃左右開始進(jìn)行,而且在燒結(jié)的過程中是按照ZrB2的密排六方結(jié)構(gòu)

11、進(jìn)行傳質(zhì);當(dāng)溫度升高到1350℃左右的時(shí)候,兩晶粒之間的晶界才出現(xiàn)要消失的跡象,而晶粒邊緣接觸處也有出現(xiàn)燒結(jié)頸的趨勢(shì);在此溫度保溫500s后,晶粒出現(xiàn)明顯的燒結(jié)跡象,晶粒之間的晶界變得模糊。
　　利用單相粉體燒結(jié)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出的燒結(jié)工藝MSS2對(duì)復(fù)相粉體進(jìn)行燒結(jié),最終獲得的ZrB2np-SiCnp材料彎曲強(qiáng)度為521.20MPa,斷裂韌性為3.92MPa·m1/2,致密度為80%。ZrB2np-SiCnp復(fù)相陶瓷的性能還有較大的提升空