鋁硼碳對二硼化鋯陶瓷材料燒結(jié)及性能的影響.pdf

1、二硼化鋯(ZrB2)作為超高溫陶瓷材料中佼佼者，具有高熔點、高強度、高硬度、較好的導電導熱能力以及抗腐蝕能力等諸多優(yōu)點。Al3BC3作為一種新型材料，以其分解溫度高、硬度大、密度小、模量高的特點可以用作燒結(jié)助劑促進SiC陶瓷材料的燒結(jié)，同時提高SiC陶瓷的力學性能。
　　 本文利用熱壓反應(yīng)燒結(jié)和放電等離子反應(yīng)燒結(jié)兩種工藝制備ZrB2-Al3BC3和ZrB2-SiC-Al3BC3陶瓷復合材料。借助XRD、SEM對制備的材料進行物相

2、分析并觀察其微觀形貌;測試材料的實際密度、相對密度、硬度、抗彎強度、斷裂韌性等性能;分別對兩種材料的抗熱震性、抗氧化性進行表征和分析。研究表明:
　　 (1)以ZrB2和Al-B4C-C材料為原料、熱壓反應(yīng)燒結(jié)為制備方法制備ZrB2-Al3BC3材料，在1900℃、20MPa壓力、保溫保壓1h，Ar氣保護氣氛條件下，成功制備出完全致密化的ZrB2-Al3BC3陶瓷復合材料。ZrB2-Al3BC3材料的抗彎強度及斷裂韌性隨著Al3

3、BC3含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。Al3BC3含量為15wt.％時，材料的抗彎強度達到最大值304.11MPa;Al3BC3含量為5wt.％時，材料的斷裂韌性達到最大值4.4MPa·m1/2。
　　 (2)以ZrB2-SiC為基體，添加Al-B4C-C燒結(jié)助劑，利用SPS燒結(jié)法制備ZrB2-SiC-Al3BC3陶瓷復合材料，分別在1600℃、1700℃和1800℃溫度、40MPa壓力、保溫保壓5min條件下，成功制備出完全

4、致密化的ZrB2-SiC-Al3BC3陶瓷復合材料，Al3BC3的加入和起始粒徑的細化對材料在較低溫度下即達到完全致密化起到了至關(guān)重要的作用。與傳統(tǒng)ZrB2-SiC材料相比，Al3BC3的加入對材料的力學性能有著較為明顯的改善，特別是在抗彎強度與斷裂韌性上。ZrB2-Al3BC3材料的上述兩種性能隨著燒結(jié)溫度的升高而升高。其中，燒結(jié)溫度為1800℃時，材料的抗彎強度達到最大值748.27MPa;斷裂韌性達到最大值6.15MPa·m1/2

5、。
　　 (3)在不同溫差下對ZrB2-Al3BC3材料進行抗熱震性能檢測。其中ZrB2-15wt.％Al3BC3材料具有最佳的抗熱震性，臨界抗熱震溫差達到396℃。1800℃下燒結(jié)制備的ZSABC3材料的臨界抗熱震溫差達到592℃，屬于非常優(yōu)異的水平。Al3BC3的加入和板條狀晶粒的形成對材料抗熱震性的提高起到了較大的作用。
　　 (4)ZrB2-Al3BC3材料在1100℃及以下溫度的抗氧化性能良好，其中抗氧化性最好

6、的是ZrB2-10wt.％Al3BC3樣品，1100℃氧化45min后的單位面積增重為3.04mg/cm2。ZrB2-SiC-Al3BC3材料在1300℃下氧化45min后，材料的單位面積增重僅為2.43～3.75mg/cm2。ZrB2-SiC-Al3BC3材料的氧化機理是在樣品表面形成SiO2、Al2O3和B2O3，三者形成玻璃相共同保護材料，當溫度繼續(xù)升高時，內(nèi)部和表面富余的B2O3劇烈氣化，破壞已形成的保護層并在保護層上形成密布的

7、孔洞，材料的抗氧化性隨之下降。
　　 (5)ZrB2-15wt.％Al3BC3材料經(jīng)過1000℃高溫氧化后，抗彎強度提高到361.47MPa，與該材料在室溫下的抗彎強度相比提高了大約20％。ZrB2-SiC-Al3BC3在經(jīng)過1300℃高溫氧化后抗彎強度與該材料在室溫下的抗彎強度相比提高了大約35％達到908.67MPa。材料在經(jīng)歷高溫氧化后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面氧化狀態(tài)均發(fā)生了明顯的變化，這兩者共同作用對材料的抗彎強度產(chǎn)生較為顯著的