硼化鋯基超高溫陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)及熱沖擊性能研究.pdf

1、近年來隨著航天航空工業(yè)的迅速發(fā)展，以高超聲速、長時(shí)間服役、高機(jī)動和遠(yuǎn)距離精確打擊為主要技術(shù)特征的高超聲速武器已成為世界各國軍事研究和發(fā)展的熱點(diǎn)，高超聲速、長時(shí)間服役的特征對防熱材料提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，要求材料必須具有優(yōu)異的耐溫極限、抗氧化燒蝕性能、抗熱沖擊性能和輕質(zhì)強(qiáng)韌的特點(diǎn)，因此開發(fā)應(yīng)用于惡劣工作條件下的新型高溫結(jié)構(gòu)材料變得極為迫切。
　　目前對能夠勝任極端環(huán)境下使用的超高溫陶瓷材料的研究，主要集中在過渡金屬的硼化物和碳化物上，其

2、中ZrB2因具有較低的相對密度、高熔點(diǎn)、高硬度和良好的導(dǎo)熱性等特點(diǎn)而在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料領(lǐng)域中得到了廣泛的關(guān)注；國內(nèi)外大量研究者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn) ZrB2-SiC基的陶瓷材料比單純 ZrB2又具有更好的綜合性能，但材料的抗熱沖擊性能及材料在熱力耦合下的失效評價(jià)，是目前仍需進(jìn)一步深入研究的主要問題。
　　本文首先針對 ZrB2-SiC陶瓷低韌性的特點(diǎn)，添加了10％的AlN，顯著改善 ZrB2-SiC陶瓷材料的燒結(jié)性能和致密度，使得材料的

3、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和熱容有較大的提高，但是硬度、熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散系數(shù)降低。對于相同組分的ZrB2-SiC-AlN陶瓷材料，選擇初始細(xì)晶粒粉末材料可以在熱物理性能（熱容、熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)）基本保持不變的情況下，進(jìn)一步提高燒結(jié)致密度，提高材料的硬度、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性；同時(shí)由于斷裂韌性的極大提高，細(xì)晶粒的ZSA-2陶瓷材料的裂紋擴(kuò)展阻力曲線也大于ZSA-1陶瓷材料，但是當(dāng)裂紋尺寸接近或大于0.4mm后 ZSA-2陶瓷材料的KR曲線下降比 Z

4、SA-1材料快，說明細(xì)晶粒陶瓷材料在小裂紋尺寸時(shí)，對裂紋的擴(kuò)展阻力更明顯。
　　通過高分辨電子顯微鏡（HRTEM）詳細(xì)分析了 ZS和ZSA陶瓷材料中各相的晶體結(jié)構(gòu)和各相之間的界面結(jié)構(gòu)、存在狀態(tài)和界面取向關(guān)系，界面結(jié)構(gòu)的研究對超高溫陶瓷材料的高溫性能影響很大。HRTEM分析表明該陶瓷材料體系中，多型體 SiC主要都以6H結(jié)構(gòu)存在，內(nèi)部存在大量的堆垛層錯(cuò)和缺陷，ZrB2基體中存在大量的位錯(cuò)和缺陷；各組成相之間的界面都很純凈，沒有發(fā)生化

5、學(xué)反應(yīng)，也沒有發(fā)現(xiàn)玻璃相或其他過渡相的存在；ZrB2/SiC或 ZrB2/AlN之間不存在明顯的取向關(guān)系，AlN的[001]方向和SiC的[010]方向經(jīng)過微小的調(diào)整后易于平行生長。另外，根據(jù)界面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，確認(rèn)了 ZS和ZSA陶瓷材料的燒結(jié)過程主要是固相燒結(jié)，其燒結(jié)致密化主要是靠熱壓外力作用下粉末粒子相互靠攏、重排、鍵合、塑性變形，及晶體滑移和塑性蠕變流動傳質(zhì)等來實(shí)現(xiàn)的。
　　通過淬火-強(qiáng)度法研究了兩種 ZrB2-SiC-AlN

6、陶瓷的抗熱沖擊性能，發(fā)現(xiàn)由于細(xì)晶粒陶瓷 ZSA-2斷裂韌性的極大提高，所以其抗熱沖擊臨界溫差高于粗晶粒陶瓷 ZSA-1；研究還發(fā)現(xiàn)熱沖擊對材料斷裂韌性的影響并不顯著。不同厚度試樣熱沖擊的實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，隨著平板試樣厚度的增加，材料熱沖擊開裂的臨界溫差逐漸降低；試樣越薄，這種趨勢越明顯，當(dāng)試樣的厚度增大到一定程度后，厚度對熱沖擊開裂臨界溫差的影響變得很小。此外，通過壓痕-淬火法研究了 ZSA-1和ZSA-2陶瓷材料抗熱沖擊過程中裂紋擴(kuò)

7、展百分率隨淬火溫差的變化，來表征材料抵抗熱裂紋擴(kuò)展的能力，研究表明：低溫差下裂紋不發(fā)生擴(kuò)展，溫差在160-400℃時(shí)，裂紋隨著淬火溫差的增加而緩慢擴(kuò)展，當(dāng)溫差高于400℃時(shí)裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展；并建立了相應(yīng)的理論模型進(jìn)行了分析，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
　　針對壓痕預(yù)制裂紋在氧化環(huán)境下的彌合過程，研究了預(yù)制裂紋的ZrB2-SiC-AlN陶瓷材料在1000℃下氧化后，材料強(qiáng)度隨氧化時(shí)間的變化。發(fā)現(xiàn)氧化對裂紋彌合具有很明顯的效果，即使氧化很短

8、時(shí)間，由于氧化對裂紋尖端的鈍化，材料的強(qiáng)度都能發(fā)生明顯的提高，隨著氧化時(shí)間的增加，表面氧化層逐漸變厚，而且越來越致密，剩余強(qiáng)度越來越高，當(dāng)氧化時(shí)間達(dá)到60min后，試樣的表面最致密，強(qiáng)度達(dá)到最大值，然后繼續(xù)增加氧化時(shí)間時(shí)，表面氧化層結(jié)構(gòu)變得不致密，而且內(nèi)部也出現(xiàn)了更疏松的過渡層，所以氧化后材料的強(qiáng)度開始下降。
　　通過數(shù)值模擬分析了 ZSA陶瓷材料的單向和三向熱沖擊過程，給出了材料熱沖擊過程中的溫度和熱應(yīng)力分布。根據(jù)壓痕預(yù)制裂紋的

9、橫截面形貌，確定了初始裂紋的形狀，并據(jù)此建立了相應(yīng)的模型，計(jì)算了裂紋前沿不同位置的J積分和應(yīng)力強(qiáng)度因子 K，并根據(jù) J判據(jù)和K判據(jù)給出了裂紋開始擴(kuò)展的臨界溫差，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。然后基于內(nèi)聚力模型模擬了壓痕預(yù)制裂紋在不同熱沖擊溫差下熱沖擊后的裂紋擴(kuò)展情況，計(jì)算了裂紋的擴(kuò)展百分率；根據(jù)不同熱沖擊溫差下熱沖擊后，試樣內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，得出了不同熱沖擊溫差下試樣內(nèi)部的熱應(yīng)力的影響深度，并據(jù)此引入了一個(gè)熱應(yīng)力影響深度系數(shù)參數(shù)，對有限元計(jì)算結(jié)

10、果進(jìn)行了修正，修正后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差水平在可接收范圍之內(nèi)。
　　根據(jù)實(shí)際壓痕裂紋的形狀和尺寸，建立了相應(yīng)的模型，分析了 ZSA陶瓷材料在熱沖擊及熱沖擊和拉、剪共同作用下，表面裂紋和內(nèi)部裂紋的耦合擴(kuò)展過程；分析了不同內(nèi)部裂紋取向，在不同載荷工況下和表面裂紋交互作用的擴(kuò)展方式，給出了多種載荷工況下材料的主要失效模式。進(jìn)一步通過擴(kuò)展有限元技術(shù)分析了材料內(nèi)部含第二相顆粒時(shí)，表面預(yù)制裂紋在熱沖擊及熱沖擊和拉、剪共同作用下的裂紋擴(kuò)展情