納米粉體對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合材料具有耐高溫、耐燒蝕、抗沖刷等優(yōu)良特性,被認為是適用于極端環(huán)境下使用的新型耐高溫結構材料。本研究針對目前超高溫陶瓷材料強韌化以及抗熱沖擊方面的缺點,首先以微米ZrB2為基體,納米SiC(SiCnp)為第二相,石墨(G)為第三相,利用熱壓燒結制備出致密的ZrB2-SiCnp-G(ZSnpG)復合材料。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復合材料。利用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)及能譜分析(EDS)等對添加納米粉體的超高溫陶瓷復合材料的組織結構和性能進行了研究。
　　利用沉降實驗、激光粒度測試和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上進一步研究了兩種粉體的共分散性。實驗發(fā)現(xiàn)納米粉體的分散行為強烈依賴于溶液的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納米復合粉體。
　　考察了燒結溫度對ZrB2-SiCnp-G復相陶瓷材料組織性能的影響。結果表明,當燒結溫度為1800℃時,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℃下燒結后的ZSnpG復相陶瓷的相對密度接近完全致密,并且由石墨含量不同導致致密度不同的現(xiàn)象也隨之消失。當石墨含量相同時,隨著燒結溫度的升高,材料的彎曲強度逐漸上升,尤其是1880℃之前,上升較為明顯,之后材料強度的

4、增加相對緩慢,同時材料的韌性也會略有下降。
　　研究了石墨含量對ZrB2-SiCnp-G復相陶瓷材料組織性能的影響。結果表明,在相同的燒結溫度下,隨著石墨含量的增加,ZSnpG復合材料的彎曲強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致了材料抗熱沖擊能力以及熱沖擊后的殘余強度提高。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度約為90MPa,含20vol.%石墨材料的殘余強度約為120MPa,而含30vol.%石墨材料的殘余強度大于150MPa。
　　探討了石墨粒徑對ZrB2-SiCnp-G復相陶瓷材料組織性能的影響。結果表明,在相同的燒結工藝和材料組分條件下,對于ZrB2-20vol.%SiCnp-20vol.%G復相陶瓷材料,當添加的石墨直徑由5μm增加到10μm時,材料的彎曲強度隨

6、之增大。但當石墨直徑增加到20μm時,材料的強度卻發(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。當石墨直徑為5μm和10μm時,材料接近完全致密。但當石墨直徑增加到20μm時,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度卻不同。較小直徑的石墨有助于提高陶瓷材料的強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

7、降低材料的強度能但會阻礙熱沖擊過程中裂紋的擴展,并保持較高的殘余強度(提高R""值)。
　　考察了ZrB2-SiCnp-G復相陶瓷材料的強韌化機理。ZSnpG復合陶瓷材料實現(xiàn)強韌化的主要原因在于內(nèi)晶型結構和層狀結構二者的強韌化機制的有效結合所致。納米SiC形成內(nèi)晶型結構會誘發(fā)穿晶斷裂,使材料具有了較高的強度并降低了由于添加石墨而導致材料強度降低的負面效果;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,而這種效應由于納米S

8、iC的加入而得到了增強,因為裂紋在穿晶后已經(jīng)消耗了大量的能量,這樣更有利于石墨對于裂紋偏轉的誘導。ZSnpG復相陶瓷表現(xiàn)出很明顯的R-曲線效應即是材料強韌化的有力體現(xiàn)。
　　研究了ZrB2-SiCnp-G復相陶瓷材料的抗燒蝕性能。結果表明,對ZrB2-20vol.%SiCnp-20vol.%G組分材料的氧化燒蝕行為的實驗結果表明高頻等離子風洞燒蝕實驗中,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,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合強度,試樣表面的氧化物主要是SiO2玻璃。
　　對納米ZrB2陶瓷的燒結工藝過程進行了研究。結果表明,傳統(tǒng)的單步燒結不適合納米的ZrB2陶瓷的制備。納米的ZrB2晶粒生長的控制,可以由多步驟的燒結實現(xiàn)。納米ZrB2的致密化起始溫度是在約1300℃。納米ZrB2的相對密度在利用優(yōu)化后的多步燒結工藝燒結后達到80%左右,

10、而彎曲強度和斷裂韌性分別為599.45MPa和4.17MPa·m1/2。利用主燒結曲線理論對納米ZrB2粉體的燒結激活能進行研究,結果表明納米ZrB2粉體的燒結激活能為863kJ/mol,遠遠低于微米ZrB2粉體。
　　對納米ZrB2粉體燒結過程進行了原位觀察。結果表明,在溫度較低時,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粉體的傳質在1000℃左右開始進行,而且在燒結的過程中是按照ZrB2的密排六方結構

11、進行傳質;當溫度升高到1350℃左右的時候,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)燒結頸的趨勢;在此溫度保溫500s后,晶粒出現(xiàn)明顯的燒結跡象,晶粒之間的晶界變得模糊。
　　利用單相粉體燒結實驗優(yōu)化出的燒結工藝MSS2對復相粉體進行燒結,最終獲得的ZrB2np-SiCnp材料彎曲強度為521.20MPa,斷裂韌性為3.92MPa·m1/2,致密度為80%。ZrB2np-SiCnp復相陶瓷的性能還有較大的提升空