C/C复合材料ZrB2基超高温陶瓷涂层的研究进展

ZrB₂基超高温陶瓷因其优异的高温抗氧化和烧蚀等性能,成为C/C复合材料理想的热防护涂层材料。本文从以下几个方面对C/C复合材料表面用ZrB₂基超高温陶瓷涂层的研究现状进行了综述:介绍了ZrB₂基超高温陶瓷涂层体系的主要制备技术,并对比了其制备的涂层抗氧化性和抗烧蚀性,总结了各制备方法的优点与不足;从单元、双元、三元材料掺杂改性的角度,详述了ZrB₂基复合涂层常见的材料体系,总结了其改性思路;介绍了ZrB₂基涂层在多层结构设计与开发方面的研究现状。最后简要展望了ZrB₂基超高温陶瓷涂层未来的研究方向。     

SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的研究进展

介绍了SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的烧结合成方法，将各动力学因素（晶须含量、混合工艺和烧结温度）对热压烧结法制备SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的影响进行了详细阐述，叙述并讨论了SiC晶须增韧的不同机理，并展望了该领域的研究方向。     

SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的研究进展

介绍了SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的烧结合成方法,将各动力学因素(晶须含量、混合工艺和烧结温度)对热压烧结法制备SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的影响进行了详细阐述,叙述并讨论了SiC晶须增韧的不同机理,并展望了该领域的研究方向.     

熔盐对ZrO2纤维模板辅助燃烧合成ZrB2纤维的影响

以ZrO₂纤维、B₂O₃粉、Mg粉为原料,分别以NaCl、MgCl₂及NaCl、MgCl₂复合盐为稀释剂,采用模板辅助燃烧合成法,经酸洗制备了ZrB₂短纤维,采用试算法计算了反应体系绝热温度,并对产物进行XRD和SEM表征。结果表明:反应体系的绝热温度随着熔盐掺量的增加而降低,掺NaCl体系绝热温度下降较为明显,尤其是在熔盐掺量较高的情况下。加入NaCl后产物物相主要为ZrB₂以及少量残余的ZrO₂,加入MgCl₂后产物中还有少量Mg₃B₂O₆。加入熔盐不仅能避免ZrO₂纤维的熔融,使产物更容易保持原料中纤维的形状,还能减小产物的晶粒尺寸,加入MgCl₂能促进产物晶粒的发育,随着MgCl₂掺量的增加,纤维上的颗粒逐渐发育成棱角分明的六方状晶体。从残余的ZrO₂含量和晶粒尺寸分析,单盐的效果要优于复合盐,MgCl₂的效果优于NaCl。     

超临界流体干燥法制备TiO2/ Fe2O3 和TiO2/ Fe2O3/ SiO2 复合纳米粒子及光催化性能

以TiCl₄ 、Fe (NO₃ )₃·9H₂O 和Na₂SiO₃19H₂O 为原料, 采用溶胶凝胶法结合超临界流体干燥法(SCFD)制备了纳米级TiO₂/ Fe₂O₃ 和TiO₂/ Fe₂O₃/ SiO₂ 复合光催化剂。以光催化降解苯酚对所得催化剂的催化活性进行了评价。结果表明, 纳米TiO₂/ Fe₂O₃ 复合粒子与单组分TiO₂ 比较, 复合粒子光催化活性高于单组分的TiO₂, 6h 苯酚降解率高达95.9 %。SiO₂ 的加入可以抑制纳米粒子粒径的长大和晶相的转变, 增强TiO₂ 纳米粒子的热稳定性。复合光催化剂中Fe₂O₃ 最佳掺入量为0.06 %, SiO₂ 最佳掺入量为10 %(摩尔分数) 。并用XRD、TEM 和FTIR 等手段进行了表征。TiO₂ 以锐钛矿型形式存在, SiO₂ 以无定性形式存在。比较了不同制备方法制得的TiO₂/ Fe₂O₃ 复合光催化剂, 得出超临界干燥法制备的光催化剂具有粒径小、比表面积大、分散性好、光催化活性高等特点。采用超临界流体干燥可直接得锐钛型纳米复合光催化剂。     

Al2O3基陶瓷材料增韧的研究进展

Al_2O_3基陶瓷材料具有高的化学稳定性,有较好的应用前景,但其脆性限制了它的推广应用,对氧化铝陶瓷进行增韧是解决其脆性问题的一条重要途径。简要介绍了目前氧化铝陶瓷的增韧方法和增韧机理,综述了氧化铝陶瓷增韧的研究现状,分析了氧化铝陶瓷增韧研究中存在的主要问题,展望了氧化铝陶瓷增韧的发展方向,提出了原位生长及复合增韧是高性能Al_2O_3基陶瓷材料的研究重点。     

ZrO2在β"─Al2O3复合陶瓷中的作用

本文研究了四方和立方ZrO₂在与Na-β"-Al₂O₃的复合陶瓷中作为第二相所起的各种作用。结果说明ZrO₂对复合陶瓷具有细化晶粒、改善显微结构、提高强度和断裂韧性的作用,与此同时也在一定程度上降低离子电导率。在提高力学性能方面,四方ZrO₂除了具有与立方ZrO₂相同的弥散颗粒的作用外,相变所起的作用也是很显着的。ZrO₂-Na-β"-Al₂O₃复合陶瓷是一种有应用价值的固体电解质材料。     

纳米-Al2O3/SiO2加入量对MgO-Al2O3-SiO2复相陶瓷烧结机理的影响

为了探究纳米-Al₂O₃/SiO₂加入量对MgO-Al₂O₃-SiO₂复相陶瓷烧结行为的作用机理。以微米级MgO、纳米级Al₂O₃和SiO₂为主要原料制备陶瓷基复合材料。通过XRD和 SEM等检测手段对烧后试样的物相组成和微观结构进行测试与表征,重点研究Al₂O₃/SiO₂的加入对复相陶瓷物相组成、微观结构及烧结性能的影响。结果表明:随着Al₂O₃/SiO₂加入量的增大,试样烧后相对密度和烧后线变化率呈先增大后减小再增大的趋势,加入15%Al₂O₃/SiO₂(质量分数)的试样经1 500 ℃烧结后,其相对密度可以达到94%。引入的Al₂O₃/SiO₂与基体中的MgO生成镁铝尖晶石与镁橄榄石相,原位反应伴随的体积膨胀,抵消部分烧结过程中的体积收缩。Al₂O₃/SiO₂加入量为75%(质量分数)的试样经1 400 ℃烧结后,基体中有大量堇青石相生成,随着煅烧温度提高到1 500 ℃,堇青石分解所产生的高温液相促进了试样的烧结收缩。     

Mo5Si3-MoSi2/SiC复合涂层的高温抗氧化行为分析

采用化学气相反应法和料浆刷涂反应法,在石墨表面制备了Mo₅Si₃-MoSi₂/SiC复合涂层,借助X射线衍射仪、扫描电镜及能谱等分析手段,研究了涂层的结构;通过恒温抗氧化实验及热力学分析,重点研究了涂层的高温抗氧化行为。结果表明：在1823 K的氧化氛围中,复合涂层中的Mo₅Si₃、MoSi₂组元易氧化生成MoO₃气体并导致涂层失重;而氧化初期(0～6 h)涂层试样的增重则主要与SiC的惰性氧化主导有关。由于复合涂层各组元在高温下都能氧化生成SiO₂玻璃,使涂层具有良好的高温抗氧化及热震性能;经20 h、16次循环热震实验后,涂层试样的氧化失重率只有3.78%。     

晶须增韧陶瓷刀具材料的R曲线与增韧机理的关系

采用维氏压痕／断裂压力法对Al₂O₃／SiC_w陶瓷刀具材料的裂纹扩展阻力曲线进行了测试．结果表明,裂纹扩展量较小时,R曲线较陡;裂纹扩展量较大时,R曲线趋于平缓．通过裂纹扩展量参数λ的计算,定量地分析了Al₂O₃／SiC_w陶瓷刀具材料的增韧机理,当裂纹扩展量小于参数λ时,晶须桥接是断裂韧性提高的主要原因;而裂纹扩展量大于λ时,晶须拔出是重要的增韧机制;裂纹的偏转对断裂韧性的提高也是有贡献的．     

水基流延成型制备ZrB2和ZrB2-20vol% SiC复合材料的微观结构和抗热震性能

研究了水基流延成型和热压烧结制备的ZrB2和ZrB2-20vol% SiC(ZS20)材料的微观结构和抗热震性能.在ZS20材料中分别观察到了Zr-B-C和Zr-B-W固溶相,而在ZrB2材料中并未发现有固溶相.固溶相的形成使得晶格参数减小,因此ZS20材料中ZrB2的衍射峰向高角度偏移.采用淬火法测得ZrB2和ZS20材料的临界热震温度分别为298℃和306℃,并将实验值与理论计算值进行比较.ZrB2基体与SiC第二相及固溶相之间由于热膨胀系数的差异而在材料内部引入应力,因而ZS20材料抗热震性能的实验值低于理论计算值.     

化学气相渗透2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变性能及损伤机理

研究了采用化学气相渗透工艺制备2D-SiC_f/SiC复合材料的真空蠕变性能, 蠕变温度为 1200、1300和1400 ℃, 应力水平范围为100~140 MPa。用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(TEM)分别观察分析了2D-SiC_f/SiC复合材料的蠕变断口形貌和微观结构。结果表明, 2D-SiC_f/SiC复合材料的主要蠕变损伤模式包括基体开裂、界面脱粘和纤维蠕变。桥接裂纹的纤维发生蠕变并促进了基体裂纹的张开、位移增大, 进一步导致复合材料蠕变断裂, 在复合材料蠕变过程中起决定性作用。2D-SiC_f/SiC复合材料的蠕变性能与SiC纤维微观结构的稳定性密切相关。在1200 ℃/100 MPa时, 纤维晶粒没有长大, 复合材料的蠕变断裂时间大于200 h; 蠕变温度为1400 ℃时, 纤维晶粒明显长大, 2D-SiC_f/SiC复合材料蠕变断裂时间缩短至8.6 h, 稳态蠕变速率增大了三个数量级。     

Formation of SiC nanowhiskers by carbothermic reduction of silica with activated carbon

The silicon carbide (SiC) nanowhiskers were obtained by a carbothermic reduction of silica (SiO₂) with activated carbon at 1450 °C. The products were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transformed infrared spectroscopy (FT-IR), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM). The SiC nanowhiskers were grown as crystalline β-SiC with the diameter ranging from 20 to 150 nm grew along (111) direction with the length up to several tens of micrometers. Yield of β-SiC is very high with the moderate amount of un-reacted SiO₂. This is the first report on the synthesis of high yield of β-SiC by simple direct heating method.     

SiC晶须与Si_3N_4颗粒强韧MoSi_2复合材料

采用湿法混合和热压工艺制备了不同Si3N4(p)和SiC(w)体积含量的MoSi2基复合材料,研究了复合材料的显微组织,晶粒大小,硬度、断裂韧性和抗弯强度.结果表明,复合材料的晶粒比纯MoSi2明显细化,且随着强化相添加量的增加而减小,抗弯强度和断裂韧性均大幅度提高,其中MoSi2-20%SiC(w)-20%Si3N4(p)复合材料具有较好的综合力学性能,断裂韧性和抗弯强度分别427 Mpa和10.4 Mpa·m1/2.复合材料的强化机制为细晶强化和弥散强化,韧化机制为细晶韧化和裂纹偏转与分支韧化.     

2D-C/SiC缺口试样的拉-拉疲劳损伤

研究了二维正交编织C/SiC双边对称圆弧缺口试样室温和高温真空的拉拉疲劳行为,正弦波疲劳应力比R=0.1,频率60Hz,循环基数106次.循环到规定周次停机,测量试样的共振频率、电阻,并进行SEM观察.结果表明,2D-C/SiC复合材料缺口试样拉-拉疲劳的S-N曲线非常平坦,其疲劳极限是同温度下缺口试样拉伸强度的80%～90%,光滑试样和缺口试样的疲劳极限比值与理论应力集中系数基本相同.缺口试样在疲劳过程中,电阻表征损伤与模量表征损伤的规律基本一致.在疲劳试验初期阶段,缺口附近损伤发展很快,主要表现为产生大量与加载方向垂直的裂纹,随着疲劳次数的增加,损伤发展减缓,但损伤形式逐渐增多,缺口附近与加载方向垂直的裂纹数量明显多于平行加载方向的裂纹数.讨论了电阻表征损伤和模量表征损伤之间的关系.     

2D-C/SiC复合材料的氧化损伤及刚度模型

采用不同界面强度的2种2D-C/SiC试件,在空气环境中进行700℃无应力氧化试验。通过扫描电镜(SEM)分析发现：材料表面的氧化机制为反应控制,纤维均匀变细;内部的氧化机制为扩散控制,被氧化的纤维产生了缺口或者局部缩颈现象。纤维氧化使有效承载面积减小,导致材料的模量和强度下降。强界面材料模量高而强度低,断口整齐;弱界面材料模量低而强度高,纤维拔出较长。基于以上 SEM分析结果,建立了细观力学模型,对起始模量进行模拟计算,获得了与试验值比较吻合的结果。     

C/C复合材料SiC/ZrB_2-MoSi_2复合涂层的抗氧化机制

采用包埋法和刷涂法在C/C复合材料基体上制备SiC/ZrB2-MoSi2抗氧化涂层,并利用SEM和XRD等测试手段对抗氧化涂层的组织结构、抗氧化性能和抗氧化机制进行了研究。研究结果表明,SiC内涂层可有效解决外涂层ZrB2-MoSi2与C/C复合材料基体间热膨胀系数差异较大的难题。刷涂法制备的ZrB2-MoSi2外涂层虽然有大量的龟裂纹,但涂层试样在1500℃空气中氧化10 h,失重率仅为3.58%,涂层具有很好的自愈合能力,表现出优异的高温抗氧化性能和抗热震性能。     

BN/SiC复合界面层对SiC纤维和PIP-Mini复合材料力学性能的影响

采用化学气相渗透(CVI)工艺,在SiC纤维表面沉积BN和BN/SiC复合界面层,对沉积界面层前后纤维的力学性能进行了评价。采用聚合物浸渍裂解(PIP)工艺进行致密化,制得以原纤维、BN界面层和BN/SiC界面层纤维增强的三种Mini-SiCf/SiC复合材料,研究其微观结构和拉伸性能。结果表明:采用CVI工艺制得的界面层厚度均匀、结构致密,其中BN界面层中存在六方相,晶体尺寸为1.76 nm; SiC界面层结晶性较好,晶粒尺寸为18.73 nm;沉积界面层后SiC纤维的弹性模量基本保持不变,拉伸强度降低。与SiCf/SiC相比, PIP工艺制备的SiCf/BN/SiC和SiCf/(BN/SiC)/SiC-Mini复合材料所能承受的最大拉伸载荷和断裂应变明显提升, BN界面层起主要作用。由断面形貌分析可以看出, SiCf/BN/SiC和SiCf/(BN/SiC)/SiC复合材料的纤维拔出明显,说明在断裂时消耗的能量增加,可承受的最大载荷增大。     

C/SiC摩擦材料的制备及摩擦磨损性能

通过化学气相渗透法(CVI)结合反应熔体浸渗法(RMI)制备了低成本、高性能的C/SiC飞机摩擦材料, 并模拟飞机正常着陆条件进行了摩擦磨损实验. 实验结果表明: C/SiC是比C/C更优的飞机摩擦材料, 具有动、静摩擦系数高(分别为0.34、0.41), 湿态几乎无衰减(约2.9%), 磨损小(约1.9μm/次), 摩擦性能稳定等特点. 并采用金相显微镜、扫描电镜等对C/SiC摩擦材料的摩擦面以及磨屑形貌进行了观察, 并对其磨损机理进行了探索. 结果表明, 磨损机理以磨粒磨损为主, 同时由于垂直于摩擦面的纤维束增强了其层间抗剪切能力, 从而提高了其抗磨损性能.     

泡沫碳化硅陶瓷表面原位生长碳化硅晶须

采用固相和液相反应法在泡沫碳化硅陶瓷骨架表面原位生长碳化硅晶须,研究了催化剂和反应温度的影响．结果表明,催化剂氯化镍的作用使硅与碳直接反应生长出细长的碳化硅晶须．在适当的反应温度下生长的碳化硅晶须的表面光滑,线径比较大,有少量的呈弯曲状或竹节状;反应温度过高使得硅晶须的缺陷较多．在泡沫碳化硅陶瓷骨架的表面原位生长出碳化硅晶须属于LS生长机理．具有表面晶须的碳化硅陶瓷以深床体积过滤的方式用于过滤柴油机汽车尾气中的碳颗粒,表面晶须既能提高泡沫陶瓷过滤器的过滤能力,又有利于过滤器的再生．