ZrB2-SiC复合材料的制备与性能研究

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二硼化锆(ZrB2)具有熔点和硬度高,导电、导热性好等诸多优点而广泛应用于高温结构陶瓷材料、复合材料、耐火材料、电极材料以及核控制材料等领域中,但其不足是脆性大,弯曲强度相对不高,高温下易氧化。为此,人们采用多种强韧化手段开发不同类型的ZrB2基复合陶瓷。本课题采用热压烧结工艺制备了ZrB2-SiC复合材料,研究了复合材料的力学性能、微观结构、强韧化机制和氧化机理;同时初步探讨了ZrB2-SiC体系的凝胶注模成型工艺。 通过真空热压烧结工艺制备了ZrB2-SiC复合材料,研究了SiC含量、SiC粒径、烧结温度、保温时间和烧结压力对复合材料的硬度、弯曲强度、断裂韧性的影响。结果表明:在最高烧成温度为1750℃、SiC含量为20vol%、SiC粒径为0.5μm、保温时间为30min、烧结压力为30MPa时,复合材料的综合力学性能最佳(硬度HRA为89,弯曲强度σ为670.91MPa,断裂韧性KIC为7.8 MPa·m1/2)。 利用XRD、SEM、EDS等测试方法研究了ZrB2-SiC复合材料烧结体的相组成和微观结构。测试结果表明:复合材料的主要相组成为ZrB2和SiC,在烧结过程中没有新相出现;SiC颗粒在ZrB2基体中的分布比较均匀:单相ZrB2材料和ZrB2-SiC复合材料的断口都凹凸不平,两种材料均为沿晶和穿晶混合的断裂模式。 残余应力、裂纹偏转、裂纹桥连和晶粒细化对ZrB2-SiC复合材料的强韧化起着至关重要的作用,其中晶粒的细化不仅有利于复合材料强度的提高,而且增多了晶粒边界,同时提高了断裂韧性。 另外,本课题研究了在不同烧结温度下制备的复合材料的抗氧化性能,并对其氧化热力学和动力学进行分析。研究显示:ZrB2-SiC复合材料的抗氧化性能明显高于单相ZrB2材料的抗氧化性能;复合材料在氧化初期阶段,试样增重变化符合线性规律;在氧化中期,近似符合二次曲线规律;在氧化后期阶段,试样的氧化增重率符合抛物线规律。 为达到制备复杂形状陶瓷部件,降低加工成本等目的,本课题初步研究了ZrB2-SiC复合材料的凝胶注模成型工艺。结果表明:当分散剂含量为8.74wt‰,pH为10.2,有机单体含量为3.1wt%,有机单体与交联剂比例为24:1,固相含量为40vol%时,ZrB2-SiC料浆的粘度最小(610mPa-s),凝胶注模成型后的素坯经
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