ZrB2/SiC复合粉末制备及其烧结性能研究

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SiC陶瓷的致命弱点是脆性,且室温强度较低,使其应用受到一定的限制。二硼化锆(ZrB2)具有高熔点、高硬度、导电导热性好等优异性能,是一种引人注目的超高温结构陶瓷材料。以ZrB2作为第二相粒子添加到SiC陶瓷材料中,可以改善其力学、热学、电学等方面的性能。由于ZrB2与SiC的弹性模量和热膨胀系数存在差异,因此,会在SiC与ZrB2的界面上形成应力区,在应力作用下使裂纹产生钉扎、偏折、绕道和分枝,从而有利于提高SiC基体材料的断裂韧性。本文首先采用碳热还原法合成ZrB2/SiC复合粉末,探讨该复合粉末的合成工艺条件及过程,重点研究了合成温度、保温时间、硼酸的添加量以及ZrB2含量(ZrB2与SiC的摩尔比)对ZrB2/SiC复合粉末物相组成和显微形貌的影响,并探讨了ZrB2/SiC复合粉末的合成反应机理。实验结果表明:当B2O3/ZrO2摩尔比≥1.5时,用碳热还原法在1650℃下保温1h可获得无其他杂相的超细ZrB2/SiC复合粉末,颗粒尺寸在0.51μm左右:不同温度合成的ZrB2/SiC复合粉末具有不同的形态,随温度升高,晶须逐渐减少,颗粒长大,团聚度增加;相同温度下不同保温时间合成的ZrB2/SiC复合粉末,随着保温时间的延长,颗粒尺寸逐渐变大,晶须减少,颗粒间的结合更加紧密。采用常压烧结法制备了ZrB2/SiC复相陶瓷。以商业SiC和ZrB2微粉为原料,在SiC基体中加入5vol%和10vol%的ZrB2微粉,并添加不同质量分数的烧结助剂(B4C、C),并与本文用碳热还原法合成的ZrB2/SiC复合粉末的烧结特性进行对比,系统研究成型压力、ZrB2含量、烧结助剂以及不同粉末原料对ZrB2/SiC复相陶瓷性能的影响。研究结果表明,在2200℃保温2h的工艺条件下,当烧结助剂B4C和C的含量均为2wt%时,材料的烧结性能最好;随着成型压力的增加,材料的抗弯强度逐渐增大,当成型压力为250MPa时,烧结体的强度最高。商业ZrB2和SiC粉末因表面存在ZrO2、B203和Si02等氧化物,在高温下形成氧化膜或硼硅酸盐玻璃,阻碍了ZrB2/SiC复相陶瓷的烧结致密化。用碳热还原法合成的超细ZrB2/SiC复合粉末为原料,常压烧结制备的ZrB2/SiC复相陶瓷的致密性得到显著改善。
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