棒状ZrB2粉体增韧超高温陶瓷的研究
ZrB2基陶瓷作为超高温陶瓷中的一员，具有高熔点、低密度、高电导率和高热导率，但固有的本征脆性限制了其广泛应用。本文以ZrCl4为原料采用水淬法制备了棒状ZrO2粉体，再以棒状ZrO2粉体为原料制备了棒状ZrB2粉体，然后以棒状ZrB2粉体、SiC粉体为原料分别采用 SPS烧结和热压烧结制备了棒状 ZrB2粉体增韧的ZrB2-SiC复合材料，并对材料的微观结构、物理性能、力学性能以及抗热震性能进行了分析和研究。 本文以ZrCl4为原料，将其升温至1000℃，保温1h后进行水淬，得到棒状ZrO2粉体，制备的ZrO2颗粒直径约为10μm，长度约为200μm。使用自制的棒状ZrO2粉体以ZrO2-B4C-C、ZrO2-B2O3-C、ZrO2-H3BO3-C和ZrO2-B2O3-Al4种不同体系在不同温度和气氛下制备了棒状ZrB2粉体，研究表明，制备的棒状ZrB2颗粒的大小随反应温度的提高和保温时间的延长而增大；通过4种不同体系制备的ZrB2粉体纯度不同，通过体系1~3反应合成的ZrB2粉体相对较纯，ZrB2粉体含量均达98%以上，仅有少量ZrC和C残留，而通过体系4反应合成的ZrB2粉体除少量ZrC和C残留外，还有大量Al2O3副产物生成。其中，采用ZrO2-B2O3-C体系和ZrO2-H3BO3-C体系在反应温度为1700℃、保温时间为1h、氩气气氛下进行反应，能够合成直径为2μm左右、长度为10μm左右的棒状ZrB2颗粒。 本文采用ZrO2-H3BO3-C体系制备的棒状ZrB2粉体和SiC粉体为原料，使用SPS烧结和热压烧结制备了棒状 ZrB2粉体增韧的 ZrB2-SiC复合材料。研究表明，棒状ZrB2-SiC复合材料 ZS-4的密度为4.51g/cm3，相对密度为81.9%，弯曲强度为159.28MPa，断裂韧性为3.81MPa·m1/2。棒状ZrB2-SiC复合材料的断裂韧性在其它性能较低的情况下仍能达到一般水平3.9MPa·m1/2，这主要归因于三个方面，一方面裂纹扩展时发生了偏转，延长了裂纹扩展的路径；另一方面，棒状 ZrB2颗粒的拔出能够消耗大量的断裂功；另外，材料中存在大量的气孔，当裂纹扩展至缺陷处时，能够使裂纹尖端应力松弛。 棒状 ZrB2-SiC复合材料在经过抗热震实验后强度大幅下降，这归因于材料经过热冲击后内部和表面形成的大量微裂纹，随着热震温度的升高，微裂纹的数量增多；另外，由于热冲击使材料中颗粒间的结合力大大降低，从而使材料中 ZrB2颗粒的断裂方式由穿晶断裂转变为沿晶断裂。经计算，棒状 ZrB2-SiC复合材料 ZS-2和 ZS-3的临界抗热震温差ΔT分别为427℃和295℃，ZS-2具有较好的抗热震性能。
棒状ZrB2粉体;复合材料;断裂韧性;抗热震性;超高温陶瓷;抗热震性能
山东理工大学
硕士
材料科学与工程
魏春城
2017
中文
TQ174.1
63
2018-04-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）