层状ZrB_2-SiC-G陶瓷在1300℃下的抗氧化性及其残余强度的研究

采用流延–层叠–热压的方法制备了不同石墨界面层的层状ZrB_2-SiC-G超高温陶瓷,研究其在1300℃下氧化0.5~10 h的氧化行为以及氧化时间对室温残余强度的影响,观察了增重量随氧化时间的变化,并对其物相和形貌进行了分析。结果表明,石墨界面层中添加40vol%ZrB_2和10vol%SiC制备的层状ZrB_2-SiC-G超高温陶瓷,室温弯曲强度为670 MPa,断裂韧性为13.7 MPa·m~(1/2),氧化10 h后弯曲强度仍达429MPa,断裂韧性仍达10.25 MPa·m~(1/2),优异的残余强度是由于表面形成了致密的SiO_2玻璃层而阻止了材料内部被氧化。     

YAG-ZrB2复相陶瓷在700～1300℃的氧化行为研究

通过分析YAG-ZrB2基复相陶瓷氧化前后的增重率、物相和显微结构,研究了YAG-ZrB2基复相陶瓷在700～1300℃的氧化行为,为提高高温陶瓷的高温性能奠定了基础.研究表明,在700～900℃氧化温度范围内,YAG-ZrB2复相陶瓷基本上不发生氧化反应;在900～1200℃氧化温度范围内,随着氧化温度的升高,增重率缓慢升高;在1200～1300℃氧化温度范围内,随着氧化温度的升高,增重率急剧增大.当氧化时间短于lh时,YAG-ZrB2复相陶瓷的增重率变化很快,而当氧化时间超过1h时,增重率变化较缓慢.     

反应烧结ZrB2基多孔陶瓷

利用碳还原法,研究了在放电等离子烧结(SPS)技术下反应制得孔隙率较高的多孔ZrB2基陶瓷的烧结制度,制备了不同孔隙率的ZrB2基多孔陶瓷.并对其孔隙率、物相组成、微观结构和力学性能进行了分析和评价.结果表明:得到高孔隙率的ZrB2基多孔陶瓷的烧结工艺为,室温～1400℃升温速率100℃/min,1400～1750℃之间50℃/min,中间保温温度1700℃,最终烧结温度1800℃,保温3min.用该烧结制度通过调节反应得到的ZrB2的量在0.11到0.35范围内可达到孔隙可控,微观结构较均匀,随着孔隙率的增加,热导率显著降低.     

ZrB2高温陶瓷钎焊接头的界面组织和性能

采用Ti-Zr-Ni-Cu钎料对ZrB2-SiC陶瓷的真空钎焊工艺进行研究。借助SEM,EDS和XRD等分析测试手段,分析了接头的界面组织结构及性能。实验结果表明:接头界面产物主要有TiC,ZrC,Ti5Si3,Zr2Si,Zr(s,s),(Ti,Zr)(Ni,Cu)等。随着钎焊温度和钎焊保温时间的增加,钎焊接头中的Zr(s,s)层厚度不断增加,焊缝两侧灰色相Ti5Si3+Zr2Si的体积和数量逐渐增加并向焊缝中部生长伸展,焊缝接头中的黑色相TiC+ZrC的体积和数量明显增加,其分布贯穿整个焊缝。当钎焊温度为920℃,钎焊时间为10min时,钎焊接头的抗剪切强度最高,达到143.5MPa。     

对称型陶瓷层状复合材料中的残余应力分析

针对由层间约束引起的层内残余应力，提出了用于描述层合材料应力应变状态的非均匀应变模型。利用非均匀应变模型推导出对称型层合材料由层间约束引起的层内残余应力的解析表达式，得到层内应力和界面应力沿长度方向分布的变化规律，指出轴向残余应力是层间界面剪应力造成的，是位置的函数；论证了由于表层材料受力的非对称性，界面必定存在正应力，且界面正应力须自平衡，界面正应力亦为长度方向上位置的函数，针对Si3N4-Si3N4/TiN-Si3N4三层及多层（2N＋1）对称型陶瓷基层状复合材料，研究了残余应力对强界面结合的层合材料宏观力学性能和裂纹扩展行为的影响和作用。结果表明，材料的宏观性能随着残余应力的变化而变化，其变化规律与理论计算的结果吻合。     

碳短纤维对ZrB2-SiC基超高温陶瓷力学性能的影响

ZrB2-SiC基材料具有高熔点,高热导率,高电导率和良好的化学稳定性,可以在高超声速的极端条件下工作.但是这种材料的主要问题是低的断裂韧性,为了改善这一性能,将碳短纤维加入到ZrB2-20%(体积分数)SiC中热压烧结,得到了断裂韧性明显提高的试样,从2.0MPa·m 1/2提高到 6.56MPa·m 1/2,同时弯曲强度略有降低,从502MPa降至445MPa,弹性模量也有所降低,从414GPa降至322GPa.为了深入理解这种变化,建立了模型来计算纤维造成的影响,计算结果与实验结果比较接近,证明对于本实验的材料体系,用该模型来解释是合理的.     

弱界面层方向性对层状ZrB2-SiC/石墨陶瓷的影响

利用流延-叠层-热压烧结工艺制备层状ZrB_2-SiC/石墨(ZrB_2-SiC/G)陶瓷,研究了石墨弱界面层的方向性对其力学性能的影响;通过XRD、SEM等对层状ZrB_2-SiC/G陶瓷的物相、形貌进行观察分析。结果表明:层状ZrB_2-SiC/G陶瓷在平行方向上的弯曲强度为(382±25)MPa,略低于垂直方向的弯曲强度((429±30)MPa);平行方向的断裂韧性为(11.2±0.3)MPa·m~(1/2),比垂直方向的断裂韧性提高了75%。层状ZrB_2-SiC/G陶瓷在平行方向上的断裂韧性的提高主要是由于石墨弱界面层对裂纹的偏转、分叉和脱层作用。     

AgCu/泡沫Cu/AgCu复合钎料对ZrB2-SiC/Inconel 600合金钎焊接头组织与性能的影响

陶瓷与金属由于其差异较大的热膨胀系数易导致接头残余应力较大,研究者们采用添加中间层方式,成功降低了接头残余应力.本工作采用AgCu/泡沫Cu/AgCu复合钎料对ZrB2-SiC陶瓷与Inconel 600镍基合金进行真空钎焊,系统研究了泡沫Cu厚度对钎焊接头组织和性能的影响.结果表明:所获得的钎焊接头无明显缺陷,焊缝均由Agss,Cuss和(Cr,Fe)7 C3三种相组成.剪切性能测试表明:添加泡沫Cu中间层获得的接头性能高于未添加泡沫Cu得到的接头,且随着泡沫Cu厚度的增加,焊缝中泡沫Cu骨架结构增多,钎焊接头强度呈先增大后减小的变化趋势.当泡沫Cu厚度为1 mm时,接头获得最优的剪切强度,达到72.5 MPa.通过ABAQUS有限元分析软件对接头残余应力进行分析,添加泡沫Cu钎焊时,接头金属侧残余应力降低了50.6 MPa,ZrB2-SiC侧降低了110.3 MPa,进一步证明添加泡沫Cu能够有效缓解钎焊接头残余应力.     

三元层状陶瓷Ti3AlC2的研究进展

三元层状陶瓷Ti3AlC2由于兼具金属与陶瓷的优异性能,吸引了材料工作者的广泛关注.Ti3AlC2具有较低的维氏硬度,高熔点,高弯曲强度、杨氏模量和剪切模量,优良的导电导热性,自润滑性及良好的抗氧化、耐腐蚀性.综述了近年来三元层状陶瓷Ti3AlC2的制备技术及性能的研究进展,分析了Ti3AlC2的反应机理,并展望了Ti3AlC2材料的应用前景.     

ZrB2-SiC陶瓷的注浆成型与无压烧结

研究了以聚乙烯亚胺 (PEI) 为分散剂,ZrB₂粉体在水相中的分散性能. 结果显示ZrB₂的等电点在pH为5.7,加入PEI后的等电点移到pH为11.5. 以PEI为分散剂,在pH为8.0处制备了固含量达45vol%的ZrB₂-20vol%SiC陶瓷浆料. 采用注浆成型方法制备了相对密度为53%的ZrB₂-SiC陶瓷坯体,并对其进行了无压烧结,同时研究了硼粉为烧结助剂对其致密化及性能的影响. 结果表明：硼粉为烧结助剂,实现了ZrB₂-SiC陶瓷的完全致密化的同时,也降低了ZrB₂-SiC陶瓷的烧结温度,2100℃烧结3h后的陶瓷维氏硬度为(17.5±0.5)GPa,弯曲强度为(406±41)MPa,断裂韧性为(4.6±0.4)MPa·m^1/2.     

残余应力对涂覆Al2O3涂层的ZrO2陶瓷的强度和裂纹扩展阻力的影响

本研究在ZrO₂基体表面涂覆一薄层Al₂O₃涂层, 利用基体与涂层之间热膨胀系数不匹配, 在Al₂O₃-ZrO₂预应力陶瓷(简称A_CZ_S预应力陶瓷)表层引入压应力。采用维氏压痕法评价残余应力对A_CZ_S预应力陶瓷的表层和基体中裂纹扩展阻力的影响。理论分析结合实验结果表明: 表层的压应力使得A_CZ_S预应力陶瓷的裂纹扩展阻力增大, 最终导致强度和损伤容限提高; 且A_CZ_S预应力陶瓷表层的压应力和裂纹扩展阻力随着基体截面积与涂层截面积比值的增加而增大。当ZrO₂基体表层的Al₂O₃涂层厚度为40 μm时, 表层压应力使A_CZ_S预应力陶瓷的弯曲强度达到(1207±20) MPa, 相比于同种工艺下制备的ZrO₂陶瓷强度提高了32%, 同时也是Al₂O₃强度的3倍。此外, A_CZ_S预应力陶瓷也表现出很好的抗热震性能。     

常压烧结ZrB2-SiC复相材料的抗氧化行为研究

以溶胶凝胶法合成的超细ZrB₂粉体为主要原料,研究了不同含量Mo和Mo-B₄C为烧结助剂时,ZrB₂-SiC体系的常压烧结工艺,测试了其力学性能,并系统研究了分别以4wt%Mo和4wt%Mo-2wt%B₄C为烧结助剂制备的ZrB₂-20wt%SiC复相陶瓷在不同温度下的静态抗氧化行为,研究表明：仅以Mo作为烧结助剂时,在1300℃以上材料表面开始出现ZrO₂颗粒析出而迅速氧化. 当添加Mo-B₄C复合烧结助剂时,液相保护层在1300℃开始出现,并随着温度升高逐步变厚且均匀,材料在1500℃氧化30min后,抗弯强度仍有室温强度的86%,表现出良好的抗氧化性能.     

ZrB_2粉体制备技术的研究与应用现状

ZrB2具有较高化学稳定性、高的的导电系数和导热系数、良好的阻燃及高的耐腐蚀性等优点,应用前景广阔。本文主要介绍了ZrB2粉体的合成技术,分析了各种制备方法的特点,讲述了ZrB2陶瓷的主要应用,展望了ZrB2的应用前景。     

硼化锆粉体的制备与表征

采用碳热还原法,在氩气气氛下1750℃保温1h制备出ZrB2粉体,反应物ZrO2、B2O3和C物质的量比为1:1:10,其中ZrO2以凝胶形式加入,ZrO2凝胶通过NaBH4滴定ZrOCl2溶液制备,C分别以活性炭和炭纤维形式加入,聚乙二醇(PEG)作分散剂,乙醇作为混合介质.用XRD、SEM和EDS分析方法对所得粉体进行了表征.结果表明,用活性炭作为还原剂制备的ZrB2,颗粒细小、均匀,平均粒径在80nm左右,粒子为球形;用炭纤维作为还原剂制备ZrB2粉体,由于炭纤维活性差,反应不彻底.     

ZrB2-Si3N4高温复相陶瓷的制备及抗氧化机理研究

由于ZrB2具有极高的熔点、强度、硬度和导电率等许多优异性能,因而其应用领域非常广泛.研究了ZrB2-Si3N4复相陶瓷的制备和高温下的氧化机理.结果表明,在1700℃、15MPa、2h烧结务件下制备的ZrB2-20%Si3N4复相陶瓷的致密度为98%左右.ZrB2-Si3N4复相陶瓷在高温氧化时生成了SiO2,并且SiO2液相容易在复相陶瓷表面富集形成一层保护膜,有望提高陶瓷在更高氧化温度下的抗氧化性能.     

恒温环境中ZrB2氧化行为模拟

二硼化锆(ZrB₂)是一种应用于高超声速飞行器的新型防热材料, 近年来受到广泛关注。本研究根据ZrB₂在不同温度下的氧化产物二氧化锆(ZrO₂)与三氧化二硼(B₂O₃)的微观结构和形貌, 改进了原有的ZrB₂氧化唯象模型, 研究了ZrB₂的氧化行为, 提出了中等温度区间液态B₂O₃的生成、蒸发、填充的动态平衡关系, 并考虑了孔隙出口处的B₂O₃蒸气浓度。研究结果表明: 改进后的模型能够预测低流速准静态条件下ZrB₂的氧化行为, 与加热炉中的样品恒温氧化测试结果吻合良好; 孔隙对氧化过程有较大影响, 在相同的温度、氧分压下, 孔隙率越大, 被氧化程度越高; 在基材表面存在B₂O₃液态膜的情况下, 扩散过程对氧化速率的控制被极大地降低, 材料表现出最强的抗氧化性能。     

TiC-TiB2复相陶瓷的氧化行为研究

对自蔓延高温合成法制备的TiC-TiB2复相陶瓷的氧化行为及机理进行了研究.结果表明:在低于1000℃范围内,随氧化温度和时间的增加,氧化增重符合抛物线规律;在600℃时,TiB2首先被氧化成TiO2,在1000℃时TiB2、TiC均被氧化成TiO2,表面形成致密的TiO2氧化膜,阻止内部继续发生氧化,这表明该材料具有较好的高温抗氧化能力.