论文部分内容阅读
ZrB2陶瓷具有高熔点、高抗氧化性、低密度等诸多优点,在超高温环境下,特别是航空航天、军事等应用领域有着重要的作用,然而ZrB2基陶瓷韧性低制约了其进一步应用。如何提高ZrB2基陶瓷的韧性,已成为当今ZrB2陶瓷研究的一个热点课题。因此,本研究通过在ZrB2基陶瓷基体中掺入具有层状结构的ZrxAlyCz化合物来提高其韧性,研究了不同的掺入方式对ZrB2基陶瓷韧性的影响,通过控制掺入ZrxAlyCz化合物的尺寸和空间分布大幅度提高ZrB2基陶瓷的断裂韧性。本论文首先利用放电等离子体烧结技术(SPS)在1800℃时通过掺入4wt%Si或不同体积分数的SiC合成了Zr2Al4C5化合物；研究发现掺入Si或SiC后,Si原子固溶到Zr2Al4C5化合物中,起到稳定晶格的作用,有利于Zr2Al4C5化合物的合成。在上述工作的基础上,将合成的层状Zr2Al4C5化合物掺入到ZrB2和ZrB2/SiC陶瓷基体中,通过SPS在1800℃时制备出不同ZrxAlyCz掺入量的ZrB2/ZrxAlyCz和ZrB2/SiC/ZrxAlyCz复相陶瓷。掺入ZrxAlyCz化合物促进了复相陶瓷的烧结,抑制了ZrB2晶粒的长大。当ZrxAlyCz含量为40vo1%时,ZrB2/ZrxAlyCz复相陶瓷韧性值达到了3.22MPa·m1/2,与单相的ZrB2相比提高了约70%。当ZrxAlyCz含量为30vo1%时,ZrxAlyCz复相陶瓷韧性值进一步提高到4.81MPa·m1/2,比ZrB2/SiC韧性值提高了约20%。研究了掺入不同ZrxAlyCz含量对ZrB2/ZrxAlyC2复相陶瓷氧化性能的影响,当掺入30vol%ZrxAlyCz时,ZrB2/ZrxAlyCz复相陶瓷氧化后氧化层表面存在的Al-B-O玻璃相,可提高ZrB2陶瓷抗氧化性能。研究了掺入不同SiC含量对ZrB2/SiC/ZrxAlyCz复相陶瓷氧化性能的影响,当掺入20vo1%SiC后,ZrB2/SiC/ZrxAlyCz复相陶瓷的抗氧化性能最佳,氧化层表面存在了一层致密的SiO2、ZrSiO4和A1-B-O以及Al-Si-O的玻璃相,从而进一步提高了其抗氧化性能。本工作进一步对上述复合体系以原位合成为基点,以Zr、Al、C、ZrB2和SiC以及Si粉为原料,利用SPS在1800℃时原位合成制备出不同ZrxAlyCz含量的ZrxAlyCz和ZrB2/SiC/ZrxAlyCz复相陶瓷。原位合成的yCz化合物能够促进复相陶瓷的烧结,抑制ZrB2晶粒的长大。在原位合成的复相陶瓷中,ZrxAlyCz化合物分布更加均匀,对提高复相陶瓷韧性的效果更为明显。ZrB2/SiC/ZrxAlyCz复相陶瓷最佳的烧结工艺为烧结温度1800℃,压力20MPa,保温3min。当原位合成ZrxAlyCz含量为30vo1%时制备出的复相陶瓷的断裂韧性值高达5.26MP·m1/2,比ZrB2/SiC韧性值提高了约30%,比直接掺入ZrxAlyCz化合物的复相陶瓷韧性值提高了约10%。进一步研究发现控制ZrxAlyCz化合物在复相陶瓷中的微观结构对其增韧效果影响较大。以Zr、Al和ZrB2粉体为原料,采用高能球磨制备出Zr/Al@ZrB2粉体,将包覆粉体与C(和SiC)混合后,在SPS1800℃时原位合成制备出具有包覆结构的ZrB2/ZrxAlyCz阳ZrB2/SiC/ZrxAlyC2复相陶瓷,当ZrxAlyCz化合物含量为30vol%时,其韧性值达到最大值5.96MPa·m1/2,远高于直接掺入ZrxAlyCz化合物以及不具备包覆结构的复相陶瓷的韧性值。此外,当原料中有Al时,比较容易得到具有包覆结构的粉体,但氧化严重,随其它原料的加入,氧化程度减弱；随着球磨时间延长,粉体细化,氧化加剧,从而影响ZrxAlyCz化合物的合成,不利于复相陶瓷韧性的提高,因此其适宜的球磨工艺为：球磨Zr、Al和ZrB2粉体,球磨时间为4h。