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《超高温陶瓷材料》专题——二硼化锆超高温陶

作者:pokerstars官网下载    更新时间:2019-11-18 09:49

  (1. 清华大学材料学院,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京 100084;

  摘 要:以 ZrB2为基体材料,分别采用添加 SiC 颗粒(SiCp)、SiC 晶须(SiCw)和 SiC 晶片(SiCpl)作为增韧相,采用热压烧结技术制备了 SiC/ZrB2陶瓷基复合材料,分析了不同增韧相的种类和添加量对ZrB2陶瓷强韧化效果的影响,并通过层状结构设计,采用放电等离子体烧结工艺制备出 ZrB2基层状复合陶瓷材料,研究了层状结构对ZrB2陶瓷强韧化效果的影响。结果表 明:添加 SiC颗粒、晶须或晶片,采用热压烧结可以制备出接近完全致密的 SiC/ZrB2陶瓷基复合材料;与单独添加 SiC 颗粒或晶须相比,同时添加 SiC 颗粒和晶须的增韧效果更加明显,而 SiC 晶片也可以起到较好的强韧化效果;通过层状结构设计, 能够较大幅度地提高ZrB2陶瓷的断裂韧性,显示了很好的增韧效果。

  二硼化锆(ZrB2)是一类典型的超高温陶瓷材料,具有高熔点(3 245℃)、高强度、高硬度和优良的导电、导热、耐腐蚀、捕集中子等性能,在航空航天、电子、核工业等领域内得到了广泛开发和应用,特别是在高超声速飞行器上作为防热材料,具有较好的应用前景[1–4]。然而,除了烧结温度高及高温下抗氧化烧蚀性能差以外,断裂韧性较低也严重地限制了其在高温等苛刻环境下的广泛应用。因此,对 ZrB2陶瓷进行强韧化研究,成为近年来的一个研 究热点,越来越多的研究集中在保持其强度的基础上,进一步提高其断裂韧性。

  对陶瓷材料进行强韧化研究由来已久,常用的强韧化手段主要有:添加增韧相(如纤维、晶须、颗粒、氧化锆相变增韧)、仿生结构增韧(如纤维独石结构、层状结构等)[5–6]。增韧的本质就是在材料内引入吸收断裂能量的机制,通过裂纹偏转、纤维(或 晶须)桥联、纤维(或晶须)拔出、相变增韧、微裂纹增韧、弱界面层对裂纹的反复偏转等增韧机制,提高陶瓷材料的断裂韧性。对于二硼化锆陶瓷材料的强韧化研究,人们也开展了较多的工作,碳纤维、碳化硅颗粒、晶须或晶片也常被用作增韧相,可以在一定程度上提高ZrB2陶瓷的断裂韧性[7–10]。然而, 对二硼化锆陶瓷进行强韧化,还缺少系统化的研究, 其力学性能仍有较大提升空间。

  以碳化硅颗粒、晶须、晶片为增韧相,采用热压烧结方法制备了 SiC/ZrB2陶瓷基复合材料,研究了不同增韧相的形貌和含量对二硼化锆陶瓷强韧化效果的影响,并通过层状结构设计,采用放电等离子体烧结技术,制备了层状结构 ZrB2陶瓷基复合材料,探讨了层状结构对二硼化锆陶瓷的增韧作用。

  1) 通过添加 SiC 颗粒、晶须或晶片,采用热压烧结可以制备出接近完全致密的SiC/ZrB2陶瓷基复合材料,SiC 相的加入促进了烧结致密化,同时抑制了 ZrB2 基体晶粒的长大,因而有利于提高 ZrB2 陶瓷基复合材料的力学性能。

  2) 与单独添加SiC颗粒或晶须的ZrB2陶瓷基复合材料相比,同时添加 SiC 颗粒和晶须的增韧效果更加明显,其最佳的加入量为 10%SiCp +10%SiCw,此时强度可达620 MPa,断裂韧性可达9.0MPam1/2。高韧性主要源自于 SiC 晶须的桥联和拔出机制、SiC 颗粒对裂纹的钉扎机制、以及由 SiC 颗粒和晶须引起的裂纹偏转机制等,体现了一定的协同增韧的效果。

  3) SiC 晶片可以起到较好的强韧化效果,当 SiC 晶片的添加量为 5%时,抗弯强度达到最大值 625 MPa;当 SiC 晶片的添加量为 15%时,断裂韧性达到最大值 8.4 MPa·m1/2。但是 SiC 晶片的强韧化效果还与其长厚比及尺寸有关,过大的 SiC 晶片尺寸严重地阻碍了 ZrB2陶瓷的烧结致密化,因而减弱了其强韧化效果。

  4) 通过层状结构设计,能够较大幅度地提高 ZrB2陶瓷的断裂韧性,当在界面层中添加 30%ZrB2时,ZrB2/SiC+30%ZrB2层状陶瓷复合材料的断裂韧性可达 12.3 MPam1/2,显示了很好的增韧效果,但是因为弱界面层带来的缺陷尺寸较大,在一定程度上降低了陶瓷的强度。

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