论文部分内容阅读
Zr2[Al(Si)]4C5是在三元层状过渡族金属碳化物领域新发现的一个超出MAX相（Mn+1AXn化合物）的新化合物，其具有在超高温应用温度范围比其碳化物ZrC更出色的强度、韧性、刚度和抗氧化能力，是一种新型的耐超高温结构材料，但其强度、韧性和硬度仍然偏低，抗氧化能力仍需突破性提高。目前关于Zr2[Al(Si)]4C5陶瓷增强增韧和提高抗氧化性能的研究还不多见。ZrB2-SiC是目前超高温复相陶瓷的主要研究对象。本文基于原位合成和多元强化的思想，采用热压烧结法制备出了综合性能优异的、具有超高温应用前景的ZrB2+SiC协同增强的Zr2[Al(Si)]4C5基复相材料。采用XRD、SEM与TEM对新型(ZrB2+SiC)/Zr2[Al(Si)]4C5复相材料的物相组成和显微结构进行了表征，研究了烧结温度、(ZrB2+SiC)含量、SiC含量对材料物相组成、烧结性能、显微结构与力学性能的影响，对(ZrB2+SiC)/Zr2[Al(Si)]4C5复相材料的原位合成机制、多元协同增强机制进行了分析;对材料的热物理性能与抗热震性能进行了较系统的研究，对材料抗氧化性能进行了深入的研究并对它的氧化机制进行了探讨。 在热力学分析的基础上，以ZrH2粉、Si粉、Al粉、C粉与B4C粉为原料，采用热压烧结法在1850～1900℃原位合成制备出了致密的(ZrB2+SiC)/Zr2[Al(Si)]4C5复相陶瓷。合成过程中，ZrH2在较低温度下分解产生的高活性、细小Zr颗粒可促进合成反应的进行。随着烧结温度的升高，合成反应进行逐渐完全，在1850℃烧结得到材料的力学性能最好，材料的抗弯强度、断裂韧性、显微硬度、弹性模量及高温抗弯强度（1300℃，空气）分别达到621MPa、7.8MPa·m1/2、16.7GPa、425GPa和404MPa。对1850℃烧结得到的不同(ZrB2+SiC)含量的(ZrB2+SiC)/Zr2[Al(Si)]4C5复相材料，引入(ZrB2+SiC)对材料的烧结性能影响不大。随着(ZrB2+SiC)含量的增加，材料的抗弯强度、断裂韧性和硬度均呈现逐渐增大的变化规律，在(ZrB2+SiC)含量30％vol.时，材料抗弯强度、断裂韧性和硬度均达到最大值，分别为621MPa、7.8MPam1/2和16.7GPa。对1850℃烧结得到的ZrB2含量15％vol.、SiC含量由0～20％vol.的(ZrB2+SiC)/Zr2[Al(Si)]4C5复相材料引入SiC对材料的烧结性能影响很小。随着SiC含量的增加，材料的抗弯强度与断裂韧性分别呈现先增高后降低和逐渐增大的变化规律，在SiC含量5％vol.时，抗弯强度达到最大值580MPa，在SiC含量为20％vol.时断裂韧性达到最大值7.85MPa·m1/2。材料的显微硬度逐渐增大，SiC含量为15vol％时达到最大值18.4GPa。由于原位合成的优越性，原位(ZrB2+SiC)/Zr2[Al(Si)]4C5材料中增强相颗粒细小，晶界干净，ZrB2晶粒尺寸约为1.7±0.8μm，SiC晶粒尺寸约0.8±0.5μm，Zr2[Al(Si)]4C5晶粒尺寸约3.5±1.3μm，长径比约为7.3±1.3。SiC和ZrB2的引入显著抑制了基体晶粒的生长。同时引入的ZrB2与SiC两种增强相协同作用，主要通过颗粒增强、裂纹偏转、晶粒细化等机制对Zr2[Al(Si)]4C5基体起到了显著的补强增韧效果。 在25-1200℃温度范围内(ZrB2+SiC)/Zr2[Al(Si)]4C5复相材料的平均热膨胀系数随温度的升高呈抛物线形式增大，热容也随温度的升高而增大，热导率则随着温度的升高而降低。与单相Zr2[Al(Si)]4C5相比，30％vol.(ZrB2+SiC)/Zr2[Al(Si)]4C5复相材料具有略低的热膨胀系数(7.99×10-6K-1)，相近的热容及较高的室温和高温热导率(室温:22.9Wm-1K-1，1200℃:17.3Wm-1K-1)。热冲击实验表明，(ZrB2+SiC)/Zr2[Al(Si)]4C5复相材料在200℃内的水淬强度保持率较好，但在200-300℃范围内下降明显，这与单相Zr2[Al(Si)]4C5类似，结合抗热震断裂因子R(151)、热震损伤因子RIV(192.4)和裂纹稳定因子Rst(1638.1)等参数，说明两种物相对裂纹的扩展有较好的抑制作用，抗热震损伤能力较高。 提高(ZrB2+SiC)含量在1000-1100℃范围内降低了基体Zr2[Al(Si)]4C5材料的抗氧化能力，当温度达到1200℃以上后，(ZrB2+SiC)含量的增加开始体现出对(ZrB2+SiC)/Zr2[Al(Si)]4C5复相陶瓷的抗氧化性能的改善;而SiC含量的加入有效的提高了(ZrB2+SiC)/Zr2[Al(Si)]4C5复相陶瓷的抗氧化性能，且氧化温度越高，对材料的抗氧化性能提高越明显。