ZrxAlyCz化合物增韌ZrB2基復(fù)相陶瓷的SPS制備及其性能研究.pdf

1、ZrB2陶瓷具有高熔點(diǎn)、高抗氧化性、低密度等諸多優(yōu)點(diǎn)，在超高溫環(huán)境下，特別是航空航天、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域有著重要的作用，然而ZrB2基陶瓷韌性低制約了其進(jìn)一步應(yīng)用。如何提高ZrB2基陶瓷的韌性，已成為當(dāng)今ZrB2陶瓷研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題。因此，本研究通過在ZrB2基陶瓷基體中摻入具有層狀結(jié)構(gòu)的ZrxAlyCz化合物來提高其韌性，研究了不同的摻入方式對(duì)ZrB2基陶瓷韌性的影響，通過控制摻入ZrxAlyCz化合物的尺寸和空間分布大幅度提高ZrB2

2、基陶瓷的斷裂韌性。
　　 本論文首先利用放電等離子體燒結(jié)技術(shù)(SPS)在1800℃時(shí)通過摻入4wt％Si或不同體積分?jǐn)?shù)的SiC合成了Zr2Al4C5化合物;研究發(fā)現(xiàn)摻入Si或SiC后，Si原子固溶到Zr2Al4C5化合物中，起到穩(wěn)定晶格的作用，有利于Zr2Al4C5化合物的合成。
　　 在上述工作的基礎(chǔ)上，將合成的層狀Zr2Al4C5化合物摻入到ZrB2和ZrB2/SiC陶瓷基體中，通過SPS在1800℃時(shí)制備出不同Zr

3、xAlyCz摻入量的ZrB2/ZrxAlyCz和ZrB2/SiC/ZrxAlyCz復(fù)相陶瓷。摻入ZrxAlyCz化合物促進(jìn)了復(fù)相陶瓷的燒結(jié)，抑制了ZrB2晶粒的長大。當(dāng)ZrxAlyCz含量為40vol％時(shí)，ZrB2/ZrxAlyCz復(fù)相陶瓷韌性值達(dá)到了3.22MPa·m1/2，與單相的ZrB2相比提高了約70％。當(dāng)ZrxAlyCz含量為30vol％時(shí)，ZrB2/SiC/ZrxAlyCz復(fù)相陶瓷韌性值進(jìn)一步提高到4.81 MPa·m1/2

4、，比ZrB2/SiC韌性值提高了約20％。研究了摻入不同ZrxAlyCz含量對(duì)ZrB2/ZrxAlyCz復(fù)相陶瓷氧化性能的影響，當(dāng)摻入30vol％ZrxAlyCz時(shí)，ZrB2/ZrxAlyCz復(fù)相陶瓷氧化后氧化層表面存在的Al-B-O玻璃相，可提高ZrB2陶瓷抗氧化性能。研究了摻入不同SiC含量對(duì)ZrB2/SiC/ZrxAlyCz復(fù)相陶瓷氧化性能的影響，當(dāng)摻入20vol％SiC后，ZrB2/SiC/ZrxAlyCz復(fù)相陶瓷的抗氧化性能最

5、佳，氧化層表面存在了一層致密的SiO2、ZrSiO4和Al-B-O以及Al-Si-O的玻璃相，從而進(jìn)一步提高了其抗氧化性能。
　　 本工作進(jìn)一步對(duì)上述復(fù)合體系以原位合成為基點(diǎn)，以Zr、Al、C、ZrB2和SiC以及Si粉為原料，利用SPS在1800℃時(shí)原位合成制備出不同ZrxAlyCz含量的ZrB2/ZrxAlyCz和ZrB2/SiC/ZrxAlyCz復(fù)相陶瓷。原位合成的ZrxAlyCz化合物能夠促進(jìn)復(fù)相陶瓷的燒結(jié)，抑制ZrB2

6、晶粒的長大。在原位合成的復(fù)相陶瓷中，ZrxAlyCz化合物分布更加均勻，對(duì)提高復(fù)相陶瓷韌性的效果更為明顯。ZrB2/SiC/ZrxAlyCz復(fù)相陶瓷最佳的燒結(jié)工藝為燒結(jié)溫度1800℃，壓力20MPa，保溫3min。當(dāng)原位合成ZrxAlyCz含量為30vol％時(shí)制備出的復(fù)相陶瓷的斷裂韌性值高達(dá)5.26 MP·m1/2，比ZrB2/SiC韌性值提高了約30％，比直接摻入ZrAlyCz化合物的復(fù)相陶瓷韌性值提高了約10％。
　　 進(jìn)一

7、步研究發(fā)現(xiàn)控制ZrxAlyCz化合物在復(fù)相陶瓷中的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其增韌效果影響較大。以Zr、Al和ZrB2粉體為原料，采用高能球磨制備出Zr/Al@ZrB2粉體，將包覆粉體與C(和SiC)混合后，在SPS1800℃時(shí)原位合成制備出具有包覆結(jié)構(gòu)的ZrB2/ZrxAlyCz和ZrB2/SiC/ZrxAlyCz復(fù)相陶瓷，當(dāng)ZrxAlyCz化合物含量為30vol％時(shí)，其韌性值達(dá)到最大值5.96 MPa·m1/2，遠(yuǎn)高于直接摻入ZrxAlyCz化合物