ZrB2基超高溫陶瓷復合材料的微結(jié)構(gòu)調(diào)控及熱沖擊行為研究.pdf

1、ZrB2基超高溫陶瓷材料熱沖擊性能差的問題制約了其在航天器大氣層再入、火箭推進系統(tǒng)等高溫及大溫度梯度極端環(huán)境中的應用。傳統(tǒng)增韌或增加熱導率的方法只能有限改善它在高溫極端環(huán)境下的力學穩(wěn)定性，但仍然不能滿足人類航天器對超高溫陶瓷材料的苛刻要求，例如高溫下相變增韌失效、晶須和纖維的損傷及顆粒彌散的效果差等問題。因此，必須尋找新的方法改善ZrB2陶瓷基復合材料在高溫極端環(huán)境下的熱沖擊性能。
　　本論文采用生物力學在微結(jié)構(gòu)設計中的軟硬相組合

2、原理(貝殼)和表面仿生改性(荷葉)原理優(yōu)化設計ZrB2基超高溫陶瓷材料的熱沖擊性能。從陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)在熱力學作用下的動態(tài)響應的出發(fā)，揭示它熱力學環(huán)境作用下的響應機制，建立新的改善陶瓷材料熱沖擊性能的微結(jié)構(gòu)設計原理和制備方法，最終克服ZrB2基超高溫陶瓷在高溫極端環(huán)境下的損傷性和偶然性。具體研究方案為：1，利用靜電組裝技術和高溫還原方法在陶瓷基體內(nèi)部(或顆粒邊界)添加石墨烯(軟相)，構(gòu)建軟硬相結(jié)合復合材料而增強陶瓷基體材料的斷裂韌性，同

3、時在陶瓷顆粒邊界構(gòu)建三維的高熱傳輸路線而增強它的熱擴散系數(shù)。通過增韌和熱沖擊能量快速釋放的耦合作用，增強 ZrB2基體陶瓷的熱沖擊性能；2，利用自組裝溶膠凝膠技術和外延生長方法在 ZrB2基陶瓷復合材料表面制備仿生熱沖擊涂層。通過增加熱沖擊界面的換熱系數(shù)(2.884倍)和減弱基體材料內(nèi)部的熱應力動態(tài)效應，增強ZrB2基超高溫陶瓷的熱沖擊性能。
　　首先，利用氧化石墨烯可大批量制備的Hummers方法及它滿足與ZrB2-SiC陶瓷顆

4、粒之間的的靜電組裝原理，制備了氧化石墨烯與ZrB2-SiC陶瓷復合物。通過高溫燒結(jié)過程的氧化石墨烯還原，獲得石墨烯增韌ZrB2-SiC陶瓷基復合材料。研究發(fā)現(xiàn)高溫燒結(jié)過程中的石墨烯結(jié)構(gòu)重排修復了部分結(jié)構(gòu)缺陷。在石墨烯增韌方面，出現(xiàn)了類似于纖維、石墨片等傳統(tǒng)的增韌機理，例如石墨烯塑性變形、拔出、斷裂，裂紋分叉和偏轉(zhuǎn)。在陶瓷顆粒邊界引入多層石墨烯形成的層間弱范德華力作用下，在顆粒邊界形成的位錯變形形成的應變能得到釋放,蠕變轉(zhuǎn)變?yōu)榛谱冃?，?/p>

5、成界面擴散蠕變向滑移轉(zhuǎn)變機理。由于在基體材料內(nèi)部構(gòu)建了由石墨烯組成的快速熱傳導路徑，它的熱熱擴散系數(shù)和熱導率隨著石墨烯含量的增加而增加。
　　其次，在ZrB2基陶瓷基體表面利用溶膠凝膠技術和異質(zhì)生長技術制備仿生熱沖擊涂層。在熱沖擊過程中，仿生涂層和水介質(zhì)接觸界面形成一個薄的的空氣包絡層而增強了基體材料的熱交換系數(shù)(2.884倍)，結(jié)合YSZ涂層的低熱導率性質(zhì)，改變了基體材料的溫度和熱應力分布的動態(tài)效應。有限元計算表明，在Y方向的最