以聚碳硅烷為先驅(qū)體轉(zhuǎn)化制備ZrB2基超高溫陶瓷的研究.pdf

1、超高溫陶瓷材料由于其在高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的物理化學(xué)穩(wěn)定性、良好的抗氧化和耐熱沖擊性,可在航空飛行器、高溫防護(hù)等方面有廣闊的應(yīng)用前景,其中HfB2-SiC和ZrB2-SiC兩個(gè)體系由于綜合性能優(yōu)異受到格外重視。關(guān)于超高溫陶瓷材料的研究涉及制備工藝、性能表征和評(píng)估等內(nèi)容,目前制備工藝方面的難點(diǎn)在于難以燒結(jié)致密化,樣品一般需要在1900℃以上溫度熱壓制備,這在一定程度上限制了其應(yīng)用。因此有必要去探索能夠得到顆粒小而活性高的粉體的新的工藝和方法

2、。
　　 本課題中我們嘗試將聚碳硅烷(PCS)、ZrB2或兩者與定量的Si或Zr的混合粉體裂解后熱壓燒結(jié)來制備ZrB2-SiC-C、ZrB2-SiC和ZrB2-SiC-ZrC三個(gè)體系的復(fù)相陶瓷。一方面,裂解過程中,PCS會(huì)發(fā)生軟化并均勻地包裹在粉體表面,隨后則原位生成細(xì)小的SiC和C顆粒,從而可以得到混合均勻的粉體；另一方面,利用SiC晶化及晶粒長(zhǎng)大過程中高的化學(xué)活性和少量Si或Zr的添加可以起到促進(jìn)燒結(jié)的作用。所以可以預(yù)期通過

3、這種方法將在相對(duì)低的溫度下獲得結(jié)構(gòu)均勻、性能優(yōu)良的材料。本論文工作中,我們系統(tǒng)研究了不同組成、組分含量和熱壓溫度對(duì)燒結(jié)樣品的相組成、顯微結(jié)構(gòu)、力學(xué)和抗氧化性能的影響。
　　 研究結(jié)果表明,對(duì)于ZrB2-SiC-C體系,PCS的添加有利于樣品的燒結(jié)。SiC含量在15和20vol.％時(shí),1900℃熱壓樣品的相對(duì)密度達(dá)到95％以上,其斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度較文獻(xiàn)報(bào)道的純ZrB2材料都有一定程度的提高。對(duì)于ZrB2-SiC體系,少量Si的添

4、加可有效促進(jìn)樣品燒結(jié)。1900℃熱壓燒結(jié)后,SiC含量為20和30vol.％的樣品相對(duì)密度大于98％,其斷裂韌性分別為4.42和5.06MPa·M1/2,而彎曲強(qiáng)度則達(dá)到550和520MPa。對(duì)于ZrB2-SiC-ZrC體系,Zr的添加有助于促進(jìn)材料致密化。SiC含量為20vol.％致密樣品的斷裂韌性達(dá)到5.40MPa·M1/2。此外,SEM結(jié)果表明,前兩個(gè)體系樣品具有良好的結(jié)構(gòu)均勻性,而第三個(gè)體系樣品由于所加Zr粉原料較粗均勻性稍差。

5、
　　 對(duì)三個(gè)體系中SiC含量為20vol.％的樣品進(jìn)行了1200℃和1500°的氧化試驗(yàn)。結(jié)果表明,ZrB2-SiC體系的樣品顯示出較優(yōu)的抗氧化性,尤其是在1500℃條件下,這主要得益于該溫度下其表面致密玻璃相保護(hù)層的存在。ZrB2-SiC-C體系樣品抗氧化能力的降低是由于C高溫下氧化劇烈,生成的氣體與其他氣體及揮發(fā)物的擴(kuò)散逸出使得形成孔洞結(jié)構(gòu)加劇氧的擴(kuò)散引起的。對(duì)于ZrB2-SiC-ZrC體系,ZrC的存在使得樣品高溫下抗氧