BAS/BN复合陶瓷的力学与抗热震及耐烧蚀性能

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h-BN陶瓷材料由于具备优异的热稳定性,介电性能优良以及可加工性能好等一系列优点,因此成为下一代高速飞行器天线罩的备选材料,但是同时其也存在难烧结、强度偏低,抗粒子侵蚀和抗雨蚀能力差等缺点,这也在一定程度上限制了其应用。BAS玻璃陶瓷具有较高的强度和硬度,同时也具有相对较低的介电常数和介电损耗,因此将BAS引入到BN基体中,可以获得综合性能优异的复合陶瓷。本文以h-BN、BaCO3、Al2O3和SiO2为原料,采用热压烧结法制备了四种不同BAS含量的BAS/BN复合陶瓷,并研究了BAS含量对BAS/BN复合陶瓷微观组织结构、力学性能、热学性能、介电性能、抗热震性能、耐烧蚀性能的影响规律。研究结果表明:热压烧结法制备的BAS/BN复合陶瓷其物相主要由h-BN、六方BAS相组成。随着BAS相含量的增加,BAS/BN复合陶瓷的致密度和力学性能明显提升。40vol%BAS/BN复合陶瓷的综合机械性能最优,其抗弯强度、弹性模量、断裂韧性以及硬度分别为175±3MPa、114.0±1.2 GPa、2.02±0.10MPa·m1/2、1.08±0.01GPa。BAS/BN复合陶瓷的室温介电性能随着BAS相含量的增加而下降。其介电常数和损耗角正切值均随着BAS相含量的增加而增大。10vol%BAS/BN的室温介电性能最优,在21~40GHz的测试频率范围内,其平均介电常数为4.71,平均损耗角正切值为3.55×10-3。随着温度的升高,四种不同BAS含量的BAS/BN复合陶瓷的等压热容均先增大后减小,热扩散系数和热导率均呈现单调递减的趋势。20vol%BAS/BN复合陶瓷的热导率较其他三种体积分数的复合陶瓷都要高,其热导率变化范围为14.2~27.5W·m-1·K-1。随着BAS相含量的增加,BAS/BN复合陶瓷的热膨胀系数逐渐增大,在300~700℃区间内,10vol%BAS/BN的平均热膨胀系数最小,为1.51×10-6K-1。BAS/BN复合陶瓷经过热震后,其表面由h-BN、六方BAS相组成。20vol%BAS/BN复合陶瓷呈现出最优异的抗热震性能。其残余抗弯强度随着热震温差的增大呈现先升高后降低的变化规律。在600℃、800℃下的残余抗弯强度均要比室温抗弯强度高,在800℃达到最高,为173MPa。随着热震温差的增大,试样表面的氧化现象加剧。随着BAS相含量的增加,BAS/BN复合陶瓷的烧蚀率先减小后增大。20vol%BAS/BN复合陶瓷的质量烧蚀率和线烧蚀率最低,分别为0.0027g/s和0.021mm/s,其耐烧蚀性能较好;40vol%BAS/BN复合陶瓷的质量烧蚀率和线烧蚀率最高,分别为0.0225g/s和0.055mm/s,其耐烧蚀性能较差。烧蚀后材料的表面可以分为三个区域,即中心区、过渡区和边缘区。烧蚀后试样表面由h-BN、六方BAS、B2O3组成。BAS/BN复合陶瓷的烧蚀机理为氧化、气化以及高温气流冲刷。
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