Ti3SiC2-64vol%SiC复相陶瓷高温氧化机理研究

采用热等静压原位合成了高致密的Ti₃SiC₂-64vol%SiC复相陶瓷. 通过热重实验研究其在1100~1450℃中空气气氛的高温氧化行为和机理. 研究显示,复相陶瓷的等温动力学曲线遵循抛物线型氧化或抛物线型直线型氧化规律. SiC (64vol%)的引入显著提高了Ti₃SiC₂-SiC材料的抗氧化能力. XRD及SEM-EDS分析显示,氧化膜由外层金红石型TiO₂和非晶态SiO₂组成,过渡层为TiO₂与SiO₂混合物. 高温下（1400℃）,非晶态SiO₂的形成改变了TiO₂膜的生长形态,形成致密TiO₂膜,有效阻碍了氧的扩散. 长时间氧化其抛物线速率常数比在1200℃下氧化低一个数量级. 材料在1400℃下的抗氧化性能明显优于在1200℃下的抗氧化性能.     

陶瓷前驱体配比对Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料抗氧化性能的影响

以SiC、ZrC、ZrB₂前驱体和二甲苯可溶煤沥青为原料共裂解制备了Si-Zr-B掺杂沥青, 掺杂沥青经共炭化、冷压成型以及高温热处理得到了Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料。采用XRD、SEM、EDS等手段分析了掺杂沥青基炭材料的组成和微观形貌, 并研究了其在1500℃静态空气环境中的氧化行为。结果表明, 随着SiC前驱体含量的降低, Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料的失重率呈现先减少后增大的趋势, 当原料中SiC、ZrC和ZrB₂前驱体质量比为1:2:1时, 所制备的样品具有较好的抗氧化性能, 它在1500℃氧化4 h, 失重为27.5wt%, 氧化深度为0.7 mm。在Si-Zr-B掺杂沥青基炭材料表面氧化形成的致密的SiO₂-ZrO₂-B₂O₃玻璃态阻氧层可以有效降低氧化性气氛向材料内部扩散的速率, 提高其抗氧化性能。     

聚硼硅氮烷杂化芳炔基树脂制备及抗热氧化性能

合成带乙炔基聚硼硅氮烷(PBSZ),并与含硅芳炔树脂(PSA)进行杂化制备聚硼硅氮烷杂化芳炔基(PBSZ/PSA)树脂,以改善芳炔基树脂的抗热氧化性能。采用FTIR、NMR和凝胶渗透色谱(GPC)对合成的PBSZ进行结构表征;采用旋转流变和DSC对PBSZ/PSA树脂的工艺性能进行研究;采用TGA、SEM和EDS对PBSZ/PSA树脂固化物的热稳定性和抗热氧化性能进行了研究。结果表明:PBSZ/PSA树脂具有良好的加工性能,树脂固化放热量较低,可在210℃下固化;树脂固化物在空气气氛1000℃下的残留率为38.0%,且其氧化后表面形成了60~80 μm厚致密的保护层,可起到良好的隔绝氧气作用;改性树脂固化物1200℃烧结物展现出优异的抗热氧化性能,烧结物1200℃氧化后表面形成约10 μm厚的致密陶瓷保护层,可有效地阻止氧气对材料的侵蚀。      

SiC/MoSi_2复合材料1300℃氧化行为研究

采用扫描电镜和X射线衍射研究了不同SiC体积分数(30%～50%)的SiC/MoSi2复合材料的高温(1300℃)氧化性能,建立了SiC/MoSi2复合材料的高温氧化动力学模型,对SiC/MoSi2复合材料的高温氧化行为进行了动力学分析,研究了其高温氧化机理。结果表明,SiC/MoSi2复合材料在高温时具有优异的抗氧化性能,SiC/MoSi2复合材料的高温抗氧化能力好于纯MoSi2的;复合材料的高温抗氧化性随SiC体积分数的增加而降低。     

原位SiC纳米线增韧SiC陶瓷的抗热震性能

SiC陶瓷的本征脆性及其在高低温交变环境中抗热震能力的不足已成为制约其广泛应用的关键问题之一。本文以聚碳硅烷为前驱体、二茂铁为催化剂,通过前驱体转化法在制备低密度SiC陶瓷的同时在陶瓷中原位合成SiC纳米线,并采用前驱体浸渍裂解工艺将低密度陶瓷进一步致密化制备原位SiC纳米线增韧SiC陶瓷。实验结果表明,引入原位SiC纳米线后,SiC陶瓷的抗热震性能显著提升,经历30次“室温?1 500℃”的热震循环氧化后其氧化增重率仅为2.53%,相较于纳米线改性前的SiC陶瓷氧化增重率下降了59%。相应的微结构分析表明,合成的SiC纳米线为β-SiC晶型,其中包含部分堆垛层错。纳米线沿<111>方向择优生长,其生长遵循典型的“气-液-固”生长机制。SiC纳米线主要通过纳米线桥连和拔出增韧机制缓解陶瓷制备及高低温交变过程中产生的应力集中,减少裂纹数量和尺寸,进而提升陶瓷断裂韧性和抗热震性能。引入SiC纳米线后,SiC陶瓷内部平均裂纹长度由27.7μm下降至18.2μm,断裂韧性由3.76 MPa·m^1/2增加至7.83 MPa·m^1/2。     

炭/炭复合材料高温抗氧化MoSi2/SiC复合涂层及其抗氧化特性

采用两段式包埋法和封闭处理的复合新工艺制得抗氧化性优良的MoSi₂/SiC复合梯度C/C复合材料高温抗氧化涂层。涂层由内至外结构为:SiC过渡层→SiC致密层→MoSi₂/SiC双相层→以MoSi₂为主的外层。对未封闭处理的涂层,制备过程中高温保温时间长的氧化失重少,1200℃、1300℃空气中氧化失重比1400℃、1500℃氧化失重大。用正硅酸四乙酯对涂层表面进行封闭处理,凝胶形成的SiO₂可充填涂层表面裂纹并覆盖在涂层表面。在1500℃空气中氧化一定时间后,未封闭处理的涂层试样表现为氧化失重;封闭处理后的试样为氧化增重,氧化52h仍然只有1.28%的增重,封闭处理使涂层的抗氧化性能明显改善。      

碳/碳复合材料SiC/MoSi_2/ZrO_2涂层体系氧化烧蚀性能

抗氧化涂层技术是解决碳/碳复合材料高温抗氧化性的最有效技术途径之一。为了提高材料在1 800℃以上的高温抗氧化性能,首次采用包埋法、涂刷法和等离子喷涂法在碳/碳复合材料表面制备出SiC/MoSi_2/ZrO_2梯度抗氧化涂层体系。采用SEM/EDS、结合力和粗糙度测试对涂层表面及断面形貌进行微观分析,利用等离子风洞对整个涂层体系进行氧化试验。结果表明:基体、过渡层和高温抗氧化层之间结合力良好,高温抗氧化层厚度均匀、结构致密。经等离子风洞氧化600s后,涂层表面温度达到1 850℃,氧化质量失重速率仅为3.15×10~(-6) g/(cm~2·s)。表明SiC/MOSi_2/ZrO_2梯度抗氧化涂层体系在1 800℃以上的高温环境下具有很好的抗氧化性能。     

Al4SiC4陶瓷的高温抗氧化性能和高温力学性能的研究

对Al4SiC4陶瓷的高温抗氧化性能及高温力学性能进行了研究.结果表明,Al4SiC4陶瓷具有优良的高温抗氧化性能,其高温氧化动力学符合抛物线氧化规律.氧化层由三层构成:致密的外氧化层,具有较大孔洞的内氧化层和具有较多细小孔洞的反应层.该陶瓷显示了独特的高温弯曲强度特性,即在1000～1300℃的测试温度范围内,Al4SiC4陶瓷的高温弯曲强度随温度的升高而升高.1300℃时其值为449.73MPa,与室温弯曲强度(297.10 MPa)相比,其增幅为50%左右.     

C/C复合材料SiC/W-Mo-Si抗氧化复合涂层研究

为了防止C/C复合材料高温氧化,采用两步包埋法在其表面制备SiC/W-Mo-Si抗氧化复合涂层,研究了促渗剂B2O3和制备温度对该复合涂层在1500℃静态空气中防氧化能力的影响.结果表明,在第一步包埋粉料中含有B2O3会增加SiC过渡层缺陷含量,降低单一SiC涂层和复合涂层抗氧化性能.第二步包埋制备外涂层的适宜温度为2 250℃,所形成的复合涂层结构致密,有良好的自愈性和优异的抗氧化性能.能在1 500℃保护C/C复合材料抗氧化170 h以上.产生穿透性裂纹是涂层失效的主要原因.     

原位反应法制备Cf/SiC复合材料MoSi2-SiC-Si涂层

以C_f/SiC复合材料为基体, 采用原位反应法制备了MoSi₂-SiC-Si涂层, 借助XRD、扫描电镜及能谱对涂层的结构及组成进行了分析研究, 并考查了其高温抗氧化性能. 结果表明, 涂层总厚度约120μm, 主要由MoSi₂、SiC和Si组成. MoSi₂-SiC-Si涂层具有优异的高温抗氧化性能, 在1500℃静态空气中氧化96h, 涂层试样失重仅1.8%. 涂层试样失重的主要原因是由于氧气通过涂层中的贯穿性裂纹与C_f/SiC复合材料基体发生了反应.     

层状ZrB2-SiC-G陶瓷在1300℃下的抗氧化性及其残余强度的研

采用流延-层叠-热压的方法制备了不同石墨界面层的层状ZrB₂-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% ZrB₂和10vol% SiC制备的层状ZrB₂-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SiO₂玻璃层而阻止了材料内部被氧化。     

高温热处理对SiBCN/HfC复相陶瓷物相组成及微观结构的影响

采用高能球磨-机械合金化法制备出非晶SiBCN粉末,并用放电等离子烧结(SPS)法制备SiBCN/HfC复相陶瓷。用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、场发射透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等研究了高温热处理对其物相组成与微观形貌的影响。研究结果表明,在机械合金化制备非晶SiBCN粉体过程中引入的氧,使BN氧化生成B₂O₃。在陶瓷烧结时部分HfC发生氧化生成HfO₂,使1600℃热处理后, HfO₂经碳热还原反应还原成HfB₂,并在陶瓷基体内产生气孔。在1650和1800℃热处理过程中,HfO₂被还原成HfB₂后,基体中的HfC按照HfC+2C+B₂O₃=HfB₂+3CO反应转化为HfB₂。引入氧使SiBCN/HfC陶瓷在高温下发生物相转化,陶瓷基体也因气体产物的挥发变得疏松多孔。因此,控制氧含量对SiBCN/HfC复相陶瓷...     

高性能SiBN(C)陶瓷纤维的热稳定性能及透波性能

SiBN(C)陶瓷纤维因其优异的性能(高温稳定性、高温抗蠕变和高温抗氧化性能等)被认为是高温高性能陶瓷基复合材料的理想增强体。研究了SiBN(C)陶瓷纤维的热稳定性能及微观结构, 探索了SiBN(C)陶瓷纤维在1 100~1 500 ℃的抗氧化过程, 并研究了C含量对SiBN(C)陶瓷纤维介电性能的影响。结果表明: SiBN(C) 陶瓷纤维在高温热处理至1 600 ℃的N₂气氛下仍然呈现无定形结构;HT-TGA结果表明该SiBN(C)陶瓷纤维具有良好的高温热稳定性, 该陶瓷纤维的热失重率(1 450 ℃, N₂气氛)仅为1.5wt%; 同时SiBN(C)纤维也表现出优良的高温抗氧化性能, SiBN(C)陶瓷纤维在1 400 ℃, 空气中处理5 h后, 纤维致密且无裂纹, XRD分析表明SiBN(C)陶瓷仍然呈现无定形结构, 1 500 ℃处理5 h后, SiBN(C)陶瓷纤维开始出现皮芯结构, 并且出现微晶现象; XRD、SEM和EDX等测试手段表明氧化后样品的表面主要以SiO₂微晶形式存在; 介电性能研究表明当C含量低至0.1wt%时, SiBN(C)陶瓷纤维的介电常数为2.1, 介电损耗为0.001 7(频率为10 GHz)。性能评价说明该SiBN(C)陶瓷纤维可满足高温透波材料对增强体的要求。      

新型Ti_3AlC_2-Al_2O_3/TiAl_3复合材料的组织结构与性能

利用Al-TiO2-TiC体系,通过机械球磨和反应热压制备出Ti3AlC2与Al2O3两相原位内生成增强TiAl3金属基复合材料。借助DSC、XRD、SEM和TEM研究了复合材料的反应机制、显微组织、力学性能及抗氧化性能。结果表明,球磨50h后的复合粉末经1 250℃/50 MPa保温10min烧结后可得到组织均匀细小且致密的Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料,其密度、维氏硬度、室温三点弯曲强度、断裂韧性及压缩强度分别为3.8g/cm3、8.4GPa、658.9 MPa、7.9 MPa·m1/2和1 742.0 MPa,1 000℃的高温压缩强度为604.1 MPa。Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料的增韧机制主要包括Ti3AlC2和Al2O3颗粒的剥离、Ti3AlC2相导致的裂纹偏转和桥接以及Ti3AlC2颗粒的变形及层裂。Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在700~1 000℃温度区间内生成的氧化层虽不致密,但仍表现出优异的抗高温循环氧化性能。     

锆合金表面Cr基涂层的耐高温氧化性能

用磁控溅射法在锆合金基体表面制备Cr和CrAl层,并使其在1200℃/1 h水蒸汽中氧化,用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等手段表征氧化前后涂层和Zr合金基体的微观结构,研究了两种涂层在(反应堆失水(LOCA)事故情况下的)高温蒸汽环境中的抗氧化性能。结果表明：在1200℃/1 h水蒸汽中氧化后没有涂层的锆合金基体表面生成厚度约为100 μm的氧化膜;而在Cr涂层表面生成的致密Cr₂O₃层其厚度约为4 μm,表明氧化速率显著降低。CrAl涂层氧化后表面生成致密的Cr₂O₃和Al₂O₃混合氧化层,其厚度只有0.8 μm,表明氧化速率进一步降低。这些结果表明: 用磁控溅射法在锆合金表面制备的Cr和CrAl涂层,在1200℃水蒸气环境中均表现出良好的耐氧化性能。在Cr涂层表面生成的氧化膜厚度约为未涂层锆合金氧化层的1/25,CrAl涂层氧化膜厚度低于锆合金表面氧化层的1/100。     

引入MgAl_2O_4对Ti_3SiC_2基复合材料性能的影响

采用反应热压烧结法制备MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料,研究热压温度和MgAl2O4含量对该复合材料相组成、力学性能及抗氧化性能的影响。结果表明:热压温度影响MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料相组成,在1 450℃烧结可得到性能良好的MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料。引入适量的MgAl2O4,起到弥散强化的作用,有助于提高复合材料的力学性能,当引入量为20wt%时,抗弯强度为527.6 MPa,断裂韧性为7.09 MPa·m1/2。MgAl2O4/Ti3SiC2试样的抗氧化性能优于Ti3SiC2试样。MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料在1 400℃氧化后的氧化层分两层,外层是Mg0.6Al0.8Ti1.6O5和金红石型TiO2,内层是由TiO2、方石英SiO2及少量未氧化的基体相混合组成。     

Si-B-C陶瓷涂敷2D C/SiC复合材料的抗氧化性能

利用化学气相沉积(CVD)法制备了Si-B-C陶瓷涂敷改性的2D C/SiC复合材料, 研究了其在700～1200 ℃氧化10 h性能和结构的演变规律以及自愈合机制, 同时获得了Si-B-C涂层在不同温度氧化后的形貌、 组分和物相转变规律。结果表明: 涂敷在复合材料表面的Si-B-C陶瓷随温度的升高氧化加快, 但氧化程度较低, 不深于7 μm; 随温度的升高, 氧化形成的硅硼玻璃黏度降低, 挥发增强; 当温度达到1200 ℃时, 硅硼玻璃析出SiO₂晶体; Si-B-C陶瓷涂敷改性的C/SiC具有优良的抗氧化性能, 随氧化温度的升高, 复合材料失重率增加, 但在1200 ℃氧化10 h后失重率仅为0.47%; 此外材料在1000 ℃氧化后的强度保持率最高, 达到91.6%, Si-B-C陶瓷氧化形成的硅硼玻璃可以有效封填裂纹, 这是材料具有优良抗氧化性能的主要机制。     

SiBNC_f/SiBNC陶瓷复合材料抗氧化性能

以聚硼硅氮烷(PBSZ)为前驱体,SiBNC纤维(SiBNCf)为增强纤维,采用前驱体聚合物裂解转化与热压烧结技术相结合的方法制备了SiBNCf/SiBNC陶瓷复合材料。在800~1 500℃空气气氛下非等温氧化1~3h,研究了SiBNCf/SiBNC的氧化演变机制及氧化动力学行为。采用SEM、XRD研究了SiBNCf/SiBNC陶瓷复合材料氧化实验前后的微观形貌、物相,采用阿基米德体积排水法和三点弯曲测试法分析了复合材料的密度、孔隙率及力学性能。结果表明:SiBNCf/SiBNC陶瓷复合材料具有优异的抗氧化性能和高温稳定性,生成的氧化膜能有效阻隔氧气的进入,并且有效填补了SiBNCf/SiBNC复合材料的裂纹及孔洞缺陷,具有高温自愈合行为。SiBNCf/SiBNC复合材料氧化后密度提高,这能大幅度提高其三点弯曲强度,当密度从1.67g/cm3提高到1.86g/cm3时,气孔率下降41%,弯曲强度从7.51 MPa提高到26.54 MPa。     

复合添加剂的共沉淀法制备及ZnO压敏陶瓷研究

采用共沉淀法合成的复合添加剂粉体制备ZnO压敏陶瓷,用TG-DTA热分析沉淀物前驱体, 通过XRD、SEM、EDS和DLS表征复合粉体的物相、形貌、组成元素、粒度及其分布, 测试压敏陶瓷性能、并观察其结构.结果表明, 550℃煅烧前驱体生成各添加剂氧化物的混合物; 650℃煅烧1 h形成组成为(Bi_1.14Co_0.26Mn_0.29)(Sb_1.14Cr_0.57Ni_0.29)O_6.25焦绿石型复合添加剂粉体, 复合粉体平均粒径为0.26μm; 复合粉体制备的ZnO压敏陶瓷的电位梯度为330 V/mm、非线性系数为47、漏电流为5μA/cm², 电性能参数分别优于固相法混合添加剂粉体制备的压敏陶瓷, 这归因于复合粉体制备的压敏陶瓷具有更均匀的显微结构.     

合金元素复合化对Ti_(2)AlNb合金高温抗氧化性能影响EI北大核心CSCD

Ti_(2)AlNb合金具有良好的工艺性能、综合力学性能和较低的密度等性能优势,是新型航空发动机的重要选材之一。为拓宽Ti_(2)AlNb合金的应用范围,需对传统Ti_(2)AlNb合金进行合金成分优化和工艺组织调控以进一步增强其高温抗氧化性能。本研究在传统Ti-Al-Nb三元合金体系基础上,综合设计Mo,Zr,W等合金复合化的方法提高Ti_(2)AlNb合金的抗氧化能力,通过对新型Ti_(2)AlNb合金在750℃和850℃的氧化增重行为分析、氧化层特征结构分析、表面氧化物种类和合金成分过渡分布分析等,发现Mo合金元素引起Ti_(2)AlNb合金在750℃上升至850℃时抗氧化性能的明显下降,Zr合金元素则始终保持着Ti_(2)AlNb合金良好的高温抗氧化能力;更为深入的截面试样SEM表征可将氧化层结构细分为氧化物层、富氧扩散层和组织演变层,Zr和W合金元素对850℃高温氧化过程中不同氧化层结构具有协同抑制作用,因此提出通过Zr和W合金元素复合的方法作为新型Ti_(2)AlNb合金抗氧化合金成分优化方向。