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从20世纪末开始,世界各国都将超高温陶瓷尤其是ZrB2基超高温陶瓷作为研究的重点,但其韧性一直是制约其广泛应用的短板。为提高其韧性,本课题采用层状的结构设计,以ZrB2粉,SiC粉和h-BN粉等为原料,采用热压烧结工艺(1950℃、30MPa、60min)成功制备出以ZrB2-SiC为基体层,BN为弱界面层的仿生层状(ZrB2-SiC)/BN超高温陶瓷,并采用XRD、SEM、三点弯曲试验等分析测试方法,系统研究了该材料的组织结构、力学性能、抗热震性能和抗氧化性能等。层状(ZrB2-SiC)/BN超高温陶瓷的基体层与界面层的厚度分别为270μm和22μm左右,厚度均匀,界面平直,成分精确控制为ZrB2-19vol%SiC-7.5vol%BN;其体积密度4.89g/cm3,相对密度92.96%;力学性能具有方向性,在垂直和平行层面方向,维氏硬度分别为18.87GPa和14.02GPa,洛氏硬度HRA分别达到82.88和78.83,弯曲强度分别达到427MPa和325MPa,断裂韧性分别达到15.5MPa.m1/2(约3倍于ZrB2-SiC 陶瓷的 4.8MPa·m1/2)和 4.5MPa·m1/2。虽然层状(ZrB2-SiC)/BN 超高温陶瓷的硬度和弯曲强度有所降低,但断裂韧性显著提高。增韧机制主要是弱界面层使裂纹尖端的应力松弛,削弱了裂纹扩展驱动力;裂纹频繁的分叉、偏转,大大增加了裂纹的扩展路径,成倍增加了断裂功。热震试验表明,随着热震温差ΔT的增大,层状(ZrB2-SiC)/BN超高温陶瓷的残余弯曲强度降低,临界热震温差ΔTc为364℃,热震机理分析表明层状(ZrB2-SiC)/BN陶瓷临界热温差有所降低,但抗热震损伤能力显著提高。氧化试验表明,氧化层厚度和单位面积氧化增重正相关于氧化温度和氧化时间:1500℃氧化时,层状(ZrB2-SiC)/BN陶瓷与ZrB2-SiC陶瓷氧化增重曲线非常一致,长时间(10h)氧化后,层状陶瓷弯曲强度达到613MPa,较常温下强度提高了 43.6%;表层和靠近BN层的基体层氧化较重,氧化层分为三层,即硼硅酸盐玻璃相、玻璃相与氧化锆共存区、碳化硅耗尽层。氧化机制分析表明,高温氧化初期,氧化主要是由界面反应控制,当玻璃相达到一定厚度后,转为扩散与界面反应共同控制,此时,SiC氧化所需的氧分压比BN更低,表现为基体层较界面层氧化严重。