1D-ZrB2晶粒及ZrB2-SiC-Al3BC3陶瓷复合材料的制备及性能研究

• 作 者: 陈知博
• 出 处: 郑州大学
• 发表日期: 2021年03期
• 关键词: 1D-ZrB2晶粒 ZrB2-SiC-Al3BC3陶瓷复合材料 热压烧结 自增韧 抗热震性

二硼化锆(ZrB2)是一种典型的超高温陶瓷材料,属于六方晶系,具有高熔点(3245℃)、高硬度、耐腐蚀、化学稳定性好、优良的导热和导电性等特点,是高超音速飞行器热防护材料的热门候选材料之一,近些年受到了研究学者的广泛关注。对其研究的热点集中在解决其难烧结、韧性差和抗氧化性差等问题。本文基于自增韧多相陶瓷设计思路,首先提出了一种制备大长径比的1D-ZrB2晶粒(onedimensional ZrB2 crystals,一维 ZrB2 晶粒)的简单方法,然后以 1D-ZrB2晶粒为原料,SiC为添加剂,Al、B4C和碳粉为复合烧结助剂制备ZrB2基陶瓷复合材料。探究了不同实验参数对ZrB2晶粒形貌的影响以及原料配比对ZrB2-SiC-Al3BC3陶瓷复合材料性能的影响。主要的研究结果如下:(1)以ZrOCl2·8H2O、B4C和碳粉为原料,利用碳热还原法在流动的Ar气保护下,经过1600℃保温60 min制备出形貌良好的1D-ZrB2晶粒,其直径约为0.5～3 μm,长径比可以达到8。分析了 1D-ZrB2晶粒的生长机理,ZrB2晶粒沿着c轴生长主要是受到了中间产物B2O3的影响,B2O3小颗粒优先吸附在特定晶面降低了部分晶面的生长速率从而影响了 ZrB2晶粒的生长模式。添加助熔剂NaC1能够进一步提高1D-ZrB2晶粒的长径比,当在原料中添加50 wt.%的NaCl时,制备的1D-ZrB2晶粒的直径约为1μm,长径比约为30。(2)以制备的长径比约为8的1D-ZrB2晶粒为原料,与5～25 wt.%的SiC和5～15 wt.%的Al-B4C-C(ABC)复合烧结助剂复合,利用热压烧结工艺在1950℃保温60 min、30 MPa、Ar气保护下制备出致密的ZrB2-SiC-A13BC3陶瓷复合材料。当SiC和ABC系统的添加量分别为25 wt.%和10 wt.%时,制备的ZrB2-SiC-Al3BC3陶瓷复合材料表现出了最好的烧结性和力学性能,致密度为96.19%,维氏硬度为19.18 GPa,抗弯强度和断裂韧性分别为540.33±5.51 MPa和 5.81±0.17MPa·m1/2。(3)以制备的长径比约为30的1D-ZrB2晶粒为原料所制备的ZrB2-25 wt.%SiC-10 wt.%A13BC3陶瓷复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别为545.67±14.36MPa和6.12±0.18MPa·m1/2。烧结助剂ABC系统之间发生原位反应的过程中出现的液相促进晶粒移动和重排,原位反应产物A13BC3均匀分布在ZrB2和SiC周围抑制了晶粒的大块团聚,改善了烧结性能。在烧结过程中,β-SiC转变成了 α-SiC并且长成了长条状形态,与原料大长径比的1D-ZrB2晶粒一起通过引起裂纹的偏转减弱裂纹的扩散的能量,还可以在裂纹处形成桥接减小裂纹的宽度,从而提高ZrB2-SiC-Al3BC3陶瓷复合材料的断裂韧性。(4)利用水淬法对ZrB2-SiC-Al3BC3陶瓷复合材料的抗热震性进行了研究,其中含有15 wt.%ABC烧结助剂的ZrB2-SiC-Al3BC3陶瓷复合材料表现出最好的抗热震性,临界热震温差为521.5℃。通过SEM观察该试样在不同温差热震后的断口显微结构,发现试样的热震破坏形式为热震损伤,在接受热冲击时,材料不会瞬时断裂,而是经历疏松开裂、晶粒剥离、最后断裂破坏的过程。