棒狀ZrB2粉體增韌超高溫陶瓷的研究.pdf

1、ZrB2基陶瓷作為超高溫陶瓷中的一員，具有高熔點(diǎn)、低密度、高電導(dǎo)率和高熱導(dǎo)率，但固有的本征脆性限制了其廣泛應(yīng)用。本文以ZrCl4為原料采用水淬法制備了棒狀ZrO2粉體，再以棒狀ZrO2粉體為原料制備了棒狀ZrB2粉體，然后以棒狀ZrB2粉體、SiC粉體為原料分別采用 SPS燒結(jié)和熱壓燒結(jié)制備了棒狀 ZrB2粉體增韌的ZrB2-SiC復(fù)合材料，并對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)、物理性能、力學(xué)性能以及抗熱震性能進(jìn)行了分析和研究。
　　本文以ZrCl

2、4為原料，將其升溫至1000℃，保溫1h后進(jìn)行水淬，得到棒狀ZrO2粉體，制備的ZrO2顆粒直徑約為10μm，長(zhǎng)度約為200μm。使用自制的棒狀ZrO2粉體以ZrO2-B4C-C、ZrO2-B2O3-C、ZrO2-H3BO3-C和ZrO2-B2O3-Al4種不同體系在不同溫度和氣氛下制備了棒狀ZrB2粉體，研究表明，制備的棒狀ZrB2顆粒的大小隨反應(yīng)溫度的提高和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；通過(guò)4種不同體系制備的ZrB2粉體純度不同，通過(guò)體系1

3、~3反應(yīng)合成的ZrB2粉體相對(duì)較純，ZrB2粉體含量均達(dá)98%以上，僅有少量ZrC和C殘留，而通過(guò)體系4反應(yīng)合成的ZrB2粉體除少量ZrC和C殘留外，還有大量Al2O3副產(chǎn)物生成。其中，采用ZrO2-B2O3-C體系和ZrO2-H3BO3-C體系在反應(yīng)溫度為1700℃、保溫時(shí)間為1h、氬氣氣氛下進(jìn)行反應(yīng)，能夠合成直徑為2μm左右、長(zhǎng)度為10μm左右的棒狀ZrB2顆粒。
　　本文采用ZrO2-H3BO3-C體系制備的棒狀ZrB2粉體

4、和SiC粉體為原料，使用SPS燒結(jié)和熱壓燒結(jié)制備了棒狀 ZrB2粉體增韌的 ZrB2-SiC復(fù)合材料。研究表明，棒狀ZrB2-SiC復(fù)合材料 ZS-4的密度為4.51g/cm3，相對(duì)密度為81.9%，彎曲強(qiáng)度為159.28MPa，斷裂韌性為3.81MPa·m1/2。棒狀ZrB2-SiC復(fù)合材料的斷裂韌性在其它性能較低的情況下仍能達(dá)到一般水平3.9MPa·m1/2，這主要?dú)w因于三個(gè)方面，一方面裂紋擴(kuò)展時(shí)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)了裂紋擴(kuò)展的路徑；另

5、一方面，棒狀 ZrB2顆粒的拔出能夠消耗大量的斷裂功；另外，材料中存在大量的氣孔，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至缺陷處時(shí)，能夠使裂紋尖端應(yīng)力松弛。
　　棒狀 ZrB2-SiC復(fù)合材料在經(jīng)過(guò)抗熱震實(shí)驗(yàn)后強(qiáng)度大幅下降，這歸因于材料經(jīng)過(guò)熱沖擊后內(nèi)部和表面形成的大量微裂紋，隨著熱震溫度的升高，微裂紋的數(shù)量增多；另外，由于熱沖擊使材料中顆粒間的結(jié)合力大大降低，從而使材料中 ZrB2顆粒的斷裂方式由穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔?。?jīng)計(jì)算，棒狀 ZrB2-SiC復(fù)合材料