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高超声速飞行器在超高温度、局部瞬时加热、高气动载荷和冲刷等极端环境下的服役特征对热防护材料提出了苛刻的要求。此外,高超声速飞行器的推进系统超燃冲压发动机在长时间服役的过程中会面临日益恶化的高温水蒸气的严酷环境,因此必须采用隔热材料对发动机基体加以保护。而现有的超高温防/隔热材料已不能满足应用需求,因此研发新型超高温防/隔热材料对于高超声速飞行器的发展有着重要意义。基于上述背景,本课题的主要研究内容包括:(1)Yb3Al5O12粉体的合成和表征。以Yb2O3和Al2O3粉末作为起始原料,采用固相反应法在空气中经过1150oC煅烧2小时得到纯相Yb3Al5O12粉体。利用Rietveld优化后的晶胞参数为a=11.930?,拟合得到的Yb3Al5O12的原子位置为:Yb(0.125,0,0.25),Al(1)(0,0,0),Al(2)(0.375,0,0.25),O(0.2799,0.1008,0.1990)。Yb3Al5O12粉末的平均粒径约为600 nm,粉末颗粒中的微晶尺寸约为53nm。烧结实验表明氩气能促进Yb3Al5O12在烧结过程中的致密化。Yb3Al5O12粉末在氩气中经过1600oC下烧结4小时后的相对密度可达到97%。(2)Yb3Al5O12的力学性能和损伤容限。采用热压烧结法制备了接近完全致密的Yb3Al5O12块体材料。研究了Yb3Al5O12陶瓷的力学性能,包括杨氏模量、强度、硬度等。实验结果表明Yb3Al5O12具有较高的强度和断裂韧性,在压缩过程中呈现非灾难性破坏方式,并且断口形貌中有层状解理特征。赫兹接触实验证实Yb3Al5O12是一种“类塑性”陶瓷。微观结构观察显示了明显的裂纹的偏转、桥联和分枝,这种裂纹扩展模式使得弹性能可以通过裂纹偏转被耗散,从而赋予Yb3Al5O12优异的力学性能以及良好的损伤容限能力。(3)Yb3Al5O12的热学性能。系统研究了Yb3Al5O12陶瓷的热学性能,包括德拜温度、热膨胀系数、热扩散系数、热容以及热导率。Yb3Al5O12的德拜温度为625 K。Yb3Al5O12在673–1273 K温度区间内的体膨胀系数为(23.74±0.42)!10-6K-1,线膨胀系数为(7.83±0.14)!10-6 K-1。多晶的Yb3Al5O12的平均热膨胀系数为(8.22±0.3)!10-6 K-1。此外,Yb3Al5O12具有低的热导率,在1273 K时的热导率约为2.12 W"(m"K)-1。实验结果表明在只考虑热膨胀系数和热导率的情况下,Yb3Al5O12是一种非常有前景的适用于隔热涂层或高温结构应用的材料。(4)Yb3Al5O12的凝胶注模成型技术。采用一种无毒的水溶性的异丁烯和顺丁烯二酸酐的共聚物(简称Isobam)与Yb3Al5O12粉末混合,经过浇铸、成型得到Yb3Al5O12素坯,再经高温烧结后得到复杂形状的Yb3Al5O12陶瓷。我们研究了陶瓷浆料的流变性能以及凝胶行为,揭示了流变特性机理。结果表明50 vol%的固含量和0.4 wt%的Isobam为最佳参数。此外,干燥的Yb3Al5O12素坯具有高的强度,使其可用金属工具进行加工而没有破损或剥落。烧结后得到的Yb3Al5O12陶瓷的相对密度达到94%,其弯曲强度可与热压的Yb3Al5O12材料相比拟。(5)多孔Yb3Al5O12陶瓷的制备与表征。基于Yb3Al5O12的凝胶注模技术,通过快速凝胶和机械发泡的方法成功制备出多孔Yb3Al5O12泡沫陶瓷。其中Isobam在浆料中既充当分散剂又当做凝胶剂,表面活性剂C12H25OSO3H"N(C2H4OH)3(简称Surf-E)用作发泡剂。我们研究了浆料的流变性能以及凝胶行为,结果表明50vol%的Yb3Al5O12固含量、0.4 wt%的Isobam和1 vol%的Surf-E配制的陶瓷浆料为最佳化配比。此外,高气孔率的多孔Yb3Al5O12陶瓷的机械强度随着相对密度的减小而减小,并且其破坏模式是以压缩方式为主导的破坏。(6)超高温多孔YbB6陶瓷的制备和性能。以Yb2O3和B4C为初始原料,在没有造孔剂的情况下,利用碳化硼热还原反应产生的气体来原位制备多孔YbB6陶瓷。通过调节素坯密度可以控制多孔YbB6陶瓷的孔隙率和体收缩率。SEM观察和孔径分布的研究表明多孔YbB6陶瓷具有均匀的孔结构,并且其孔径分布很窄。当多孔YbB6陶瓷的孔隙率为58.7%,密度为2.27 g/cm3时可以达到一个高的压缩强度21.34 MPa。该多孔YbB6陶瓷可被用来当做浸渍熔融金属的基体材料,或者作为轻质结构部件应用于高超声速飞行器的防/隔热部位。(7)高强度抗接触损伤多孔SiC/C陶瓷的制备与表征。采用一种新的途径来制备多孔SiC/C陶瓷。通过在碳化的松木中真空浸渍一种新型的液态聚碳硅烷,经过热固化和高温陶瓷化后得到低密度(0.72 g/cm3)、高开口气孔率(70 vol%)的多孔SiC/C陶瓷。高温陶瓷化后得到的多孔SiC/C陶瓷没有形成任何裂纹和缺陷,并且具有均匀的孔分布。用该方法制备得到的多孔SiC/C陶瓷与常规的方法得到的多孔材料相比,具有高的压缩强度(37.23 MPa)。赫兹压痕实验表明多孔SiC/C陶瓷属于一种“准塑性”材料,具有优异的抵抗接触损伤的能力。(8)ZrC-SiC复合粉末的合成及氧化性能。通过一种新型的液态杂化前驱体经过高温热解得到ZrC-SiC复合粉末。在没有外加溶剂的情况下,将有机含锆聚合物(PZC)直接溶解到液态聚碳硅烷(LPCS)中得到杂化的LPCS-PZC前驱体,在氩气中1550oC热解后得到ZrC-SiC复合粉末。通过改变LPCS/PZC质量比可调节杂化前驱体的粘度和制备时间以及最终产物中的元素含量。SEM和TEM观察表明ZrC-SiC粉末呈圆球形,颗粒尺寸小于60 nm,并且ZrC和SiC两相分布均匀。氧化实验表明在700oC以下,ZrC-SiC的氧化主要以ZrC为主,形成无保护性的ZrO2层;在1000oC以上,氧化产物包含ZrO2和SiO2,具有保护性的SiO2提高了ZrC-SiC的抗氧化能力。氧化后的产物非常完整,没有形成任何裂纹和缺陷。