纤维增强ZrO2陶瓷基复合材料制备及性能

• 作 者: 艾建平
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 氧化锆陶瓷基复合材料 热压烧结法 材料性能

高超音速飞行器在穿越大气层时会产生很高的体表温度，为了保证机载设备的正常运转，迫切需求具有优异的耐高温、抗氧化、隔热和承载的结构功能一体化材料。　　立方氧化锆具有高熔点（Tm≈2700℃）、耐磨损、天然的抗氧化性、良好的耐热性能以及高化学稳定性，并具有较低的高温热导率（2000℃时热导率约2.09W/(m·K)），是理想的耐高温隔热陶瓷基体。然而，立方ZrO2陶瓷存在韧性低和抗热震性差的缺点，拟在ZrO2基体中引入碳纤维或氧化物（莫来石、氧化锆）纤维，发挥纤维补强增韧和改善材料热学性能的作用。　　本文首先介绍了热压烧结法制备碳纤维正交双向增强的ZrO2陶瓷基复合材料，深入研究了烧结温度、碳纤维体积分数对复合材料断裂模式、界面状态、力学性能及热学性能的影响，获得了较佳的材料制备工艺。沿纤维铺展方向的弯曲强度和断裂韧性分别为173 MPa和8.2MPa·m1/2，沿热压方向的弯曲强度和断裂韧性分别为96MPa和5.6MPa·m1/2，复合材料的各向异性得到较好的改善。　　热压烧结法只能制备简单形状的复合材料，前驱体转化法具有诸多工艺优点，如能制备出复杂形状的复合材料，能实现不同组分在分子水平上均匀混合，使用的设备简单。因此，尝试采用前驱体转化法制备2.5D碳纤维增强ZrO2陶瓷基复合材料。2.5D碳纤维编织体经过15个周期的循环浸渍/裂解后，在1500℃氮气气氛中热处理2次，所获得的2.5D Cf/ZrO2复合材料的界面弱结合，呈现台阶式断裂面;但受制于前驱体的陶瓷化产率低，所制备出的2.5D Cf/ZrO2复合材料致密化程度不高，导致材料力学性能偏低。　　采用前驱体转化法在氧化物纤维毡中原位形成耐高温、隔热的氧化锆多孔陶瓷基体，获得兼具高力学性能和优异隔热性能的氧化物纤维增强ZrO2多孔陶瓷。所制备的氧化锆纤维增强ZrO2多孔陶瓷相对密度54.5％，压缩强度40.0MPa;在100～1200℃温度区间具有优异的隔热性能，材料的热导率低于0.85W/(m·K)。通过前驱体转化法结合浆料浸渍工艺，将亚微米ZrO2晶粒镶嵌到多孔氧化锆基体中，亚微米晶粒发挥“钉扎”作用，阻碍裂纹扩展，有利于材料力学性能的提高。采用该工艺制备的多孔氧化锆陶瓷体积密度3.08g/cm3，气孔率48.6％，弯曲强度30.6MPa，压缩强度40.3MPa;获得的材料在100～1200℃区间热导率低于0.95W/(m·K)。