ZrN陶瓷的致密化行為及力學(xué)性能研究.pdf

1、ZrN具有高熔點(diǎn)，高熱導(dǎo)率，耐侵蝕的特點(diǎn)，又因其與錒系元素良好的相溶性使ZrN可以用作第四代核反應(yīng)堆的燃料基體。ZrN高熔點(diǎn)，高鍵能，低自擴(kuò)散系數(shù)的特點(diǎn)使其難以燒結(jié)，而核燃料易揮發(fā)性導(dǎo)致有必要通過添加劑有效降低ZrN的燒結(jié)溫度。
　　本文系統(tǒng)研究了分別以金屬Zr，酚醛樹脂和B4C為添加劑的ZrN陶瓷的致密化行為。運(yùn)用阿基米德法、XRD，SEM，EDS等測(cè)試方法和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，維氏硬度、壓痕法等表征手段，對(duì)ZrN陶瓷在燒結(jié)過程中的致

2、密化行為，擴(kuò)散特性，化學(xué)反應(yīng)過程及力學(xué)性能進(jìn)行了研究。
　　不同含量的金屬Zr與ZrN通過缺陷反應(yīng)形成了缺氮的非化學(xué)計(jì)量比化合物ZrN1-x，并以Zr2N為缺陷反應(yīng)的中間產(chǎn)物。由N原子空位主導(dǎo)的晶格擴(kuò)散受到缺陷濃度的影響，因此ZrN1-x中，隨著N空位的增加，致密化溫度逐漸降低：計(jì)量比每降低0.1，致密化溫度降低100oC左右。對(duì)比熱壓燒結(jié)和無壓燒結(jié)的ZrN1-x陶瓷，由于壓力對(duì)于空位化學(xué)勢(shì)的顯著作用，熱壓燒結(jié)后試樣的致密度要明顯

3、大于無壓燒結(jié)。N空位對(duì)于晶格擴(kuò)散傳質(zhì)的促進(jìn)顯著增加了晶粒長(zhǎng)大的動(dòng)力，因此在ZrN1-x陶瓷中均出現(xiàn)不同程度的晶粒長(zhǎng)大。由于晶粒尺寸的增大和ZrN0.7中Zr2N脆性相的出現(xiàn)，導(dǎo)致ZrN1-x陶瓷的韌性較低，其中ZrN0.9試樣的斷裂韌性為2.6±0.2MPa·m1/2。兩步法燒結(jié)工藝導(dǎo)致ZrN1-x陶瓷晶粒粗化，氣孔率增加，對(duì)于不同計(jì)量比ZrN1-x陶瓷，兩步法對(duì)于其致密度和晶粒尺寸的影響的趨勢(shì)相同。
　　通過酚醛樹脂向ZrN中引

4、入C，ZrN陶瓷的致密度得到提升。體系中C通過進(jìn)入ZrN晶格中形成ZrCxNy，N原子與粉體中ZrO2反應(yīng)形成存在于晶界處的ZrOx’Ny’固溶體。通過Zener模型驗(yàn)證了晶界處的ZrOx’Ny’第二相有通過晶界釘扎顯著抑制ZrN的晶粒長(zhǎng)大的作用。隨著C含量的增加，由于細(xì)晶強(qiáng)化和ZrN晶界的強(qiáng)度增加，添加5mol.％C的ZrN陶瓷的強(qiáng)度為333±48MPa。
　　B4C通過與ZrN和ZrO2雜質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)而促進(jìn)了ZrN陶瓷的燒結(jié)，