二硼化鋯—碳化硅晶片超高溫陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、航空航天工業(yè)的發(fā)展對極端環(huán)境下應用的結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求。硼化鋯(ZrB2)由于其自身的諸多優(yōu)點,如高熔點、低密度、高熱導率和電導率、耐腐蝕等,是高溫環(huán)境應用中合適的候選材料,成為近年來各國科學家研究的重點。同時ZrB2陶瓷也存在一定的不足需要去改善,包括低溫條件下較低的韌性及高溫情況下較差的抗氧化性。
　　本研究利用碳化硅晶片(SiCpl)增強ZrB2基超高溫陶瓷,通過熱壓燒結(jié)法制備了ZrB2-SiCpl陶瓷復合材料,用以改

2、善ZrB2基陶瓷的低溫脆性和高溫抗氧化性能。研究了分別以氮化鋁(AlN)和硅化鋯(ZrSi2)為燒結(jié)助劑超高溫陶瓷復合材料力學性能及微觀結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化得到了合適的燒結(jié)助劑的添加量。燒結(jié)助劑的添加有效的降低了ZrB2基陶瓷的燒結(jié)溫度,同時可以抑制ZrB2晶粒的異常長大,提高了陶瓷復合材料的力學性能。X射線衍射及能譜分析證明ZrSi2做燒結(jié)助劑時有部分ZrSi2轉(zhuǎn)變成碳化鋯(ZrC),這歸因于高溫條件下ZrC更穩(wěn)定。高溫抗彎強度測試結(jié)果顯示

3、SiCpl添加量分別為15、20vol％時ZrB2-SiCpl陶瓷復合材料在1000℃時的抗彎強度分別為446MPa和362MPa,當測試溫度達到1300℃時分別為221MPa和277MPa。另外制備了層狀ZrB2基陶瓷,試圖通過結(jié)構(gòu)改變來增加ZrB2陶瓷的韌性。根據(jù)層間應力計算公式制備了三組不同殘余應力的層狀陶瓷。結(jié)果顯示層狀陶瓷可以有效的提高ZrB2陶瓷的韌性,但同時其抗彎強度也有不同程度的下降。
　　本文研究了中低溫(室溫至

4、1600℃)以及超高溫(>2200℃)條件下ZrB2-SiCpl超高溫陶瓷的抗氧化性。兩個溫度區(qū)間分別通過普通箱式氧化爐和氧乙炔火焰燒蝕來實現(xiàn)。研究了各測試溫度點氧化前后單位面積質(zhì)量的變化(氧化增重)與氧化溫度和SiCpl含量之間的關系。結(jié)果顯示隨著氧化溫度的增加氧化增重呈上升趨勢,且上升速度逐漸變大。相同氧化溫度隨著SiCpl含量的增加氧化增重呈減少趨勢。說明SiCpl的添加可以有效的提高超高溫陶瓷的抗氧化性能。通過觀察氧化層結(jié)構(gòu)及分

5、析氧化產(chǎn)物,對各溫度區(qū)間的氧化機理進行了闡述。根據(jù)反應熱力學判斷,ZrB2的氧化和AlN的氧化最先發(fā)生。1000℃時氧化產(chǎn)物中的ZrO2和B2O3及Al2O3混合在一起形成了氧化外層。其中Al2O3大部分以棒狀晶體形式出現(xiàn)。當氧化溫度達到1200℃時B2O3由于其較高的揮發(fā)蒸氣壓而迅速揮發(fā),并且此時SiCpl已經(jīng)開始氧化。因此氧化產(chǎn)物主要為ZrO2和SiO2。SiO2的存在對Al2O3的生長起到抑制作用,氧化產(chǎn)物中不再出現(xiàn)棒狀Al2O3

6、晶體。非晶態(tài)的SiO2可以形成致密的保護膜阻止氧氣進入材料內(nèi)部,提高了超高溫陶瓷的抗氧化性。當氧化溫度為1400-1600℃時氧化反應變得劇烈,由于氣態(tài)氧化物的揮發(fā)以及非晶態(tài) SiO2的形成,氧化層表面會有鼓包和孔洞出現(xiàn)。研究表明低蒸汽壓的非晶態(tài)SiO2在1600℃仍然能夠起到保護作用。氧化研究中發(fā)現(xiàn)了特殊結(jié)構(gòu)的ZrO2晶體—中空四棱柱晶體的存在,并且對其出現(xiàn)的機理嘗試進行了分析,利用X射線衍射技術和極圖測試分析了其擇優(yōu)生長方向。超高溫

7、陶瓷復合材料在2200℃左右的高溫高速氣流燒蝕5min后沒有出現(xiàn)破壞,質(zhì)量變化率在0.3%左右,表明材料具有很好的抗氧化燒蝕性能。XRD及EDS分析表明燒蝕表面的主要產(chǎn)物為ZrO2。氧化燒蝕表面邊緣區(qū)域有熔融態(tài)ZrO2出現(xiàn),這主要是氧化產(chǎn)物中的SiO2、ZrO2形成混合物,根據(jù)二者相圖判斷SiO2含量變大會使得ZrO2-SiO2液相線下降,熔點降低,因此造成在低于 ZrO2熔點時發(fā)生熔化。通過軋膜工藝得到的晶片定向排布ZrB2-SiCp

8、l復合材料擁有良好的抗熱震性能。而層狀陶瓷則由于層間與層內(nèi)結(jié)合強度差別大,復雜制備工藝帶來的較多缺陷以及氧化層與基體層熱膨脹系數(shù)不匹配等在燒蝕過程中出現(xiàn)氧化層整體性脫落。微觀結(jié)構(gòu)觀察也發(fā)現(xiàn)層狀陶瓷的燒蝕表面存在較多的大裂紋等缺陷。層狀陶瓷的成分、層厚比等有待于進一步的優(yōu)化。
　　利用熱震-殘余強度法研究了ZrB2-SiCpl超高溫陶瓷的抗熱震性能。研究了水,甲基硅油和空氣三種不同冷卻介質(zhì)對超高溫陶瓷抗熱震性能的影響。測試了殘余強度

9、與熱震溫差之間的關系。結(jié)果顯示以水為冷卻介質(zhì)熱震實驗中,殘余強度隨著熱震溫差的增加呈下降趨勢。當熱震溫差為275℃時陶瓷復合材料的殘余強度下降到初始值的70%。在以空氣和硅油為冷卻介質(zhì)的熱震實驗中,陶瓷復合材料的殘余強度隨著熱震溫差的增加變化不大。并且在當溫差大于800℃時殘余強度大于初始強度,主要原因是:(1)加熱過程中應力緩釋作用且冷卻時由于低換熱系數(shù)沒有形成新的熱應力。(2)氧化層的出現(xiàn)可以彌補部分表面缺陷,同時起到隔熱作用,減緩