Al-Zr(NO3)4高放熱體系燃燒合成工藝研究.pdf

1、共晶陶瓷是一種自生復合材料,具有良好的微觀結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的機械性能,相界面結(jié)合牢固,同時在擇優(yōu)長大方向上具有出色的室溫、高溫力學性能和高溫(甚至接近熔點)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本文以Zr(NO3)4、Al為反應(yīng)劑,研究了高放體系熱燃燒合成的基本熱力學特性(溫度、壓力及燃燒波速率),并研究了反應(yīng)溫度、離心力作用對Al2O3/ZrO2共晶陶瓷物相及微觀組織的影響;在此基礎(chǔ)上,利用Al-Zr(NO3)4反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將ZrB2、SiC熔化,探索研究了ZrB

2、2-SiC共晶陶瓷的制備工藝。
　　基于熱力學理論,計算了Al-Zr(NO3)4體系絕熱溫度與反應(yīng)劑含量的關(guān)系,結(jié)果表明,隨著反應(yīng)劑含量的增加,體系絕熱溫度也隨之升高,且容易達到自蔓延的半經(jīng)驗判定溫度1800K。測試了敞開環(huán)境及封閉環(huán)境下不同反應(yīng)劑含量的反應(yīng)溫度及燃燒波速率,發(fā)現(xiàn)兩環(huán)境下的實測溫度均隨反應(yīng)劑比例增加而升高;與理論計算溫度對比發(fā)現(xiàn),敞開環(huán)境實測溫度要比理論計算溫度平均低400K左右,而封閉環(huán)境實測溫度則比理論溫度平均

3、低280K;敞開環(huán)境下,由于Zr(NO3)4中O、N逃逸,導致熱量散失,且反應(yīng)劑含量增加時,Zr(NO3)4預熱分解比例增大,熱散失增大,故紅外實測溫度低于理論計算結(jié)果,且燃燒波速率隨反應(yīng)劑含量增加呈先增大后減小的趨勢。
　　分析了Al2O3/ZrO2體系產(chǎn)物的微觀組織:產(chǎn)物中形成了片層狀共晶和棒狀共晶混雜的共晶組織;反應(yīng)溫度低時,沒有形成完全液相,組織較粗大,反應(yīng)溫度高時,充分互溶,形成細密的共晶組織,溫度進一步升高,晶粒長大,

4、組織粗化;而離心條件下,冷卻速度快,互溶不充分,組織較自然條件下的粗大。
　　測試了不同反應(yīng)溫度下Al2O3/ZrO2體系產(chǎn)物的維氏硬度,發(fā)現(xiàn)硬度值在12GPa～13GPa之間,且變化不大;裂紋首先穿過Al2O3晶粒擴展,而后繞過Al2O3晶粒沿著Al2O3晶粒與共晶區(qū)界面擴展。
　　計算了ZrB2/SiC體系絕熱溫度及壓力隨反應(yīng)劑含量的變化,結(jié)果表明,隨反應(yīng)劑含量增加,壓力及絕熱溫度均隨之升高;反應(yīng)劑含量為35％時,可達到

5、共晶溫度,而反應(yīng)劑含量為42%時,絕熱溫度達到3400K,可達到ZrB2的熔點(3323K)。為了降低體系的壓力,在體系中加入過量的Al中和產(chǎn)生的N2,結(jié)果表明,可大大降低體系的反應(yīng)壓力,理論上可降為常壓;但實測壓力比理論壓力高。
　　結(jié)合XRD及壓力測試結(jié)果,分析燃燒合成反應(yīng)機理:隨著反應(yīng)劑比例的升高,體系的反應(yīng)壓力也隨之增加,而冷卻后的壓力均為零;溫度降低后N與Al、O結(jié)合形成Al5O6N;而產(chǎn)物中出現(xiàn)ZrC相,為Zr與SiC

6、反應(yīng)形成的;添加少量ZrO2后SiC徹底分解形成ZrSi2及ZrC;但添加少量B4C后,抑制SiC的分解,Zr與B結(jié)合形成ZrB2,ZrC相消失。
　　研究了反應(yīng)劑含量對產(chǎn)物微觀組織的影響,反應(yīng)劑含量增加時,溫度升高,ZrB2、SiC熔化形成鑄態(tài)組織,但僅有少量共晶組織,是由于分散的ZrB2、SiC顆粒高溫時被氧化物分隔,互溶不充分引起的;而預燒結(jié)ZrB2/SiC混合顆粒由于尺寸過大,影響傳熱及互溶時間,無共晶組織形成;同時研究了

7、添加組分ZrO2、B4C對產(chǎn)物微觀組織的影響,結(jié)果表明,添加ZrO2的體系,SiC完全分解,產(chǎn)物中無共晶組織生成;而添加B4C的體系,抑制了SiC的分解,消除ZrC相,產(chǎn)物中形成少量共晶組織。
　　分析了材料的凝固規(guī)律,溫度高時,由于SiC分解,ZrB2/SiC互溶液相中,ZrB2比例高,ZrB2作為先析出相,優(yōu)先形核析出形成片狀晶;隨著凝固進行,當ZrB2/SiC達到共晶比例時,SiC優(yōu)先析出,而ZrB2依附SiC形核長大,形成