h-BN/Y-Al-Si-O复相陶瓷的组织结构和力学及抗热震性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jianming_zhang
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随着导弹的飞行速度越来越快,位于导弹前端的天线罩将在服役过程中承受更为严苛的气动载荷和气动加热,对天线罩材料的综合性能提出了更高的要求。h-BN具有密度低、热导率高、弹性模量和热膨胀系数低、耐高温性能和介电性能好等优势,十分适合作为导弹天线罩的基体材料。但同时单相h-BN陶瓷也存在着烧结性能差、力学性能偏低、耐雨蚀能力差、高温条件下介电损耗异常增大等问题。为了改善h-BN基陶瓷材料的烧结性能和力学性能,本文以h-BN、Y2O3、Al2O3及Si O2粉体作为原料,设计引入了液相形成温度更低的Y-Al-Si-O玻璃相,并研究了Y-Al-Si-O玻璃相的成分和含量以及烧结温度对复相陶瓷物相组成、微观组织结构、晶粒尺寸和气孔率的影响规律,优化了烧结工艺参数和复相陶瓷的成分,筛选得到了一种综合性能较好的新型航天防热候选材料,为h-BN基复相陶瓷在该领域的应用和进一步研究提供了理论和技术支持。引入Y-Al-Si-O体系制备的h-BN-YAS复相陶瓷具有较好的烧结性能和力学性能。随着烧结温度升高以及Y-Al-Si-O含量的提高,样品中的Y-Al-Si-O体系形成了更加均匀、连续的液相环境,有效促进了h-BN晶粒的生长、孔隙的填充以及复相陶瓷致密度的提高。h-BN、(Y2O3+Al2O3)和Si O2含量分别为70vol.%、10vol.%和20vol.%、烧结温度为1600℃的复相陶瓷由于其低气孔率与均匀细小的晶粒尺寸而具有最高的抗弯强度和断裂韧性,分别为284.6±21.2MPa和3.07±0.28MPa·m1/2。BN-YAS复相陶瓷的强韧化机制主要为层片状h-BN晶粒的增韧作用与高强度Y-Al-Si-O玻璃相的增强作用,此外还有一定的细晶强化作用。研究了不同Y-Al-Si-O成分和含量的h-BN-YAS复相陶瓷在不同热震温差(800℃、1000℃和1200℃)条件下的残余抗弯强度变化规律和强度保持率。h-BN-YAS复相陶瓷普遍具有较好的抗热震性能。h-BN和(Y2O3+Al2O3)含量分别为70vol.%和30vol.%、烧结温度为1700℃的复相陶瓷在热震过程中,样品表面发生了明显的物相转变,在1200℃热震过程中样品表面的YAG相与h-BN氧化形成的B2O3发生反应,形成了YBO3相和新相Al5BO9(或Al4B2O9)。由于生成的硼-莫来石具有较低的热导率和热膨胀系数,其在热震过程中原位生成于样品表面,可以起到一定的隔热作用,有利于复相陶瓷材料抗热震性能的提高,该样品经1200℃温差热震后的强度保持率在90%以上。而h-BN、(Y2O3+Al2O3)和Si O2含量分别为70vol.%、10vol.%和20vol.%、烧结温度为1700℃的复相陶瓷在经过800℃、1000℃、1200℃温差热震后,残余抗弯强度分别为262.3±12.2MPa、226.4±23.4MPa和202.7±8.1MPa,强度保持率分别为94.3%、81.4%和72.9%。该样品具有具有最好的抗热震性能,原因在于:复相陶瓷中适当成分和含量的Y-Al-Si-O玻璃相改善了h-BN-YAS复相陶瓷的致密度、初始抗弯强渡和断裂韧性,且降低了复相陶瓷的热膨胀系数,同时可以起到协调变形和松弛应力的作用。此外,该样品经1200℃温差热震后表面形成了分布比较均匀而形状不规则的“半球状凸起”,其形成原因主要为h-BN在热震过程中发生氧化以及生成产物B2O3的挥发。
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