Csf-ZrB2--ZrSi2超高溫陶瓷復(fù)合材料的低溫制備技術(shù)及強(qiáng)韌機(jī)理研究.pdf

1、近年來(lái)，高超聲速飛行器由于其巨大的軍事價(jià)值已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。在穿越大氣層過(guò)程中，高超聲速飛行器會(huì)經(jīng)歷強(qiáng)烈的氣動(dòng)熱效應(yīng)，尤其是其鼻錐和翼前緣，表面溫度可達(dá)2000℃以上，因此傳統(tǒng)的熱防護(hù)材料已很難適用于如此苛刻的服役環(huán)境。二硼化鋯(ZrB2)作為一種超高溫陶瓷，由于其高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)、低密度以及優(yōu)良的抗氧化、耐燒蝕等特點(diǎn)，被認(rèn)為是高超聲速飛行器鼻錐、翼前緣等關(guān)鍵部位的理想候選材料。然而，ZrB2陶瓷較差的可燒結(jié)性以及本質(zhì)的脆性在一定程

2、度上限制了其應(yīng)用。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，向ZrB2陶瓷中添加燒結(jié)助劑以及采用短切纖維增韌成為現(xiàn)研究階段最有效的解決方法之一。然而，纖維增韌ZrB2陶瓷基復(fù)合材料在熱壓制備過(guò)程中存在如下幾個(gè)問(wèn)題:首先，所需的燒結(jié)溫度過(guò)高，即使在添加燒結(jié)助劑的情況下，仍然需要較高的燒結(jié)溫度才能實(shí)現(xiàn)完全致密化，需要對(duì)燒結(jié)助劑進(jìn)行優(yōu)選;在燒結(jié)過(guò)程中，基體中的元素容易與纖維發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致纖維發(fā)生腐蝕，并且隨著燒結(jié)溫度的提升以及保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維的腐蝕程

3、度逐漸加重;另一方面，纖維在向基體的引入過(guò)程中，纖維的分散均勻性也是影響材料微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的一個(gè)重要因素。因此，研究纖維增韌ZrB2基復(fù)合陶瓷的低溫制備技術(shù)及強(qiáng)韌性機(jī)理對(duì)改善其服役性能具有十分重要的意義。
　　為了進(jìn)一步降低燒結(jié)溫度并實(shí)現(xiàn)ZrB2陶瓷的快速致密化，本文采用二硅化鋯(ZrSi2)作為燒結(jié)助劑，首先通過(guò)調(diào)節(jié)燒結(jié)助劑含量和燒結(jié)溫度的變化，優(yōu)化燒結(jié)助劑的含量和燒結(jié)溫度。然后，在此基礎(chǔ)之上采用短切碳纖維(Csf)進(jìn)行增韌

4、，熱壓燒結(jié)了Csf/ZrB2-ZrSi2超高溫陶瓷基復(fù)合材料。期間，通過(guò)調(diào)節(jié)纖維含量、纖維表面活性以及纖維/基體界面，提升Csf/ZrB2-ZrSi2系復(fù)合陶瓷的斷裂韌性。本文的主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果如下:
　　(1)通過(guò)添加ZrSi2燒結(jié)助劑，實(shí)現(xiàn)了ZrB2基復(fù)合陶瓷的低溫快速致密化。研究表明，ZrSi2含量和燒結(jié)溫度均對(duì)ZrB2-ZrSi2的密實(shí)行為產(chǎn)生顯著影響。首先，隨著ZrSi2含量增加，密實(shí)化速度逐漸提升，并且起始密實(shí)化溫度

5、逐漸降低;其次，隨著燒結(jié)溫度的上升，密實(shí)化速度逐漸提升，并且密實(shí)化進(jìn)程逐漸趨于完善;當(dāng)ZrSi2含量達(dá)20vol％時(shí)，可在1550℃熱壓燒結(jié)出相對(duì)密度約為99％的ZrB2-ZrSi2復(fù)合陶瓷。
　　(2)通過(guò)添加Csf作為增韌相，可以明顯提升ZrB2-ZrSi2復(fù)合陶瓷的斷裂韌性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維含量為5、10、20vol％時(shí)，其在基體中的分散較為均勻，然而當(dāng)纖維含量達(dá)到30vol％時(shí)，便開(kāi)始出現(xiàn)明顯的纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，從而使Csf/

6、ZrB2-ZrSi2的力學(xué)性能顯著下降。整體來(lái)講，當(dāng)纖維含量為20vol％時(shí)，Csf/ZrB2-ZrSi2的斷裂韌性最高，同ZrB2-ZrSi2復(fù)合陶瓷相比，大約提升了55％。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，在制備Csf/ZrB2-ZrSi2復(fù)合材料過(guò)程中，機(jī)械球磨對(duì)纖維形成了研磨損傷，并且在燒結(jié)過(guò)程中，纖維發(fā)生了化學(xué)腐蝕;研磨損傷和化學(xué)腐蝕導(dǎo)致纖維性能降級(jí)，使得纖維的增韌效果受限。
　　(3)為了降低基體元素對(duì)纖維的化學(xué)腐蝕，通過(guò)纖維的高溫?zé)崽幚恚?/p>

7、使纖維表面活性降低，從而明顯抑制了其在熱壓燒結(jié)過(guò)程中的化學(xué)腐蝕。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將纖維在高溫?zé)崽幚砗?，纖維高溫?zé)岱€(wěn)定性明顯改善、石墨化程度有所提高、活性含氧官能團(tuán)含量顯著下降、碳氧比(C/O)大幅增加，從而導(dǎo)致基體元素對(duì)纖維的腐蝕程度明顯減輕，使Csf/ZrB2-ZrSi2復(fù)合材料的斷裂韌性進(jìn)一步提升了11％。
　　(4)為了弱化球磨導(dǎo)致的纖維研磨損傷，采用膠體分散工藝代替球磨分散工藝，有效地避免了球磨對(duì)纖維造成的研磨損傷。結(jié)果顯示，膠