超高温陶瓷复合材料研究进展

随着高速飞行器朝着更宽空域、更长时间和更高速度的方向发展,对飞行器的鼻锥、前缘和发动机燃烧室等关键结构的热防护性能提出了更加严苛的要求,发展在极端环境下使用的高性能热防护材料是当前的研究重点。超高温陶瓷复合材料具有优异的抗氧化烧蚀性能,是一类极具应用潜力的非烧蚀型热防护材料。然而,本征脆性问题限制了超高温陶瓷复合材料的工程化应用,需通过组分结构调控对其进行强韧化。同时,飞行器有效载荷提升也对超高温陶瓷复合材料提出了轻量化的要求。本文系统概述了超高温陶瓷复合材料近年来取得的主要研究进展,包括压力烧结、泥浆浸渍、前驱体浸渍裂解、反应熔渗、化学气相渗透/沉积与“固-液”组合工艺等制备方法,颗粒、晶须、软相物质、短切纤维和连续纤维等强韧化方法及其机制,抗氧化烧蚀性能与机理,以及轻量化设计等。讨论了超高温陶瓷复合材料组分、微结构和性能之间的关系,并指出了超高温陶瓷复合材料目前存在的挑战以及未来的发展趋势。

Ni含量对SHS法合成TiC-Ni基金属陶瓷的影响

利用ＳＨＳ结合准热等静压（ＰＨＩＰ）技术制备了ＴｉＣ－Ｎｉ基金属陶瓷，理论分析和实验显示，绝热温度Ｔａｄ和燃烧温度Ｔｃ 随Ｎｉ含量的增加而降低，反应温度影响产物的组织形貌，Ｎｉ含量的增加使合成的ＴｉＣ颗粒尺寸变小，并且逐渐趋向于规则的球形。最后的产物均由ＴｉＣ和Ｎｉ两相组成。产物的致密度随Ｎｉ含量的增加逐渐提高，硬度值随Ｎｉ含量的变化而变化，两种因素的作用使硬度值在Ｎｉ含量为２０％ 时达到最大。

TiC-Ni梯度功能材料的SHS研究

利用自蔓延高温燃烧合成反应结合准热等静压技术（SHS／PHIP）制备了致密性良好的TiC－Ni系梯度功能材料，产物的成份分析显示Ni元素沿厚度方向相对连续而平滑地过渡，明显不同于反应前的阶跃式分布．随着Ni含量的增加，燃烧温度的降低，梯度层中TiC颗粒尺寸逐渐减少，各梯度层的硬度，相对密度也随Ni含量的添加而变化．

梯度功能材料制备技术及其发展趋势

综述了梯度功能材料（ＦＧＭ）的制备技术和国内外的研究现状，具体介绍了几种制备技术的基本原理和工艺方法，包括粉末冶金法、等离子喷涂法、激光熔敷法、化学气相沉积法和物理气相法以及自蔓延高温燃烧合成法。从工艺角度分析了各种制备技术的优缺点，并展望了梯度功能材料制备技术的发展趋势。

TiC-Ni系功能梯度材料的断裂力学有限元分析

根据实验结果给出了功能梯度材料热物性参数的估计模型 ,用有限元素法研究了含有垂直于梯度方向裂纹的功能梯度材料 ,分别考虑了机械载荷、均匀热载荷以及非均匀热载荷作用下 ,梯度分布指数对裂纹尖端应力强度因子。

燃烧合成TiC-Ni材料的室温及高温力学性能

研究了燃烧合成新工艺制备的 Ti C- Ni金属陶瓷材料的力学性能。结果表明 :Ti C- Ni金属陶瓷硬度值和抗弯强度在 Ni含量为 2 0 wt%时达到最高值 ,断裂韧性在 Ni含量为 30 wt%时达到最大值 ,Ti C- Ni材料在室温下具有无宏观塑性变形的脆性断裂特征。随着温度的升高 ,Ti C- Ni材料弯曲强度下降 ,温度超过 10 0 0℃开始发生塑性变形。

自蔓延加压法合成TiC—Ni基金属陶瓷

利用自蔓延高温合成结合准热等静压法（SHS／PHIP）制备了TiC－Ni基金属陶瓷TN20（TiC－16.8Ni－4．2Mo），金属陶瓷中主要由TiC颗粒和Ni粘结相组成的。TiC颗粒连接成骨架状结构分布在不连续的粘结相当中，TiC相与Ni相界面结合良好，界面附近和粘结相内部存在大量位错。同时研究了在两个压力下（90MPa和160MPa）制备的材料的力学性能，发现在160MPa压力下，材料的强度与用传统方法生产的相近成分的K138A非常接近。

超高温陶瓷材料抗热冲击性能及抗氧化性能研究

研究了多种强韧化方法以提高超高温陶瓷材料抗热冲击性能,包括碳化硅晶须增强增韧、石墨软相增韧和氧化锆相变增韧。同时,还研究了碳化硅含量对超高温陶瓷材料的抗氧化性能影响。研究结果表明:碳化硅晶须和氧化锆的添加显著提高了材料的抗热冲击临界温差,而石墨软相的引入对抗冲击临界温差的影响不大,但显著提高了裂纹扩展阻力和强度保持率。高SiC含量超高温陶瓷材料在1 800℃以下具有的优异的抗氧化性能,在更高的温度下,高与低的SiC含量对超高温陶瓷材料的抗氧化性能均不利,通过优化材料的组分以降低材料表面温度是提高超高温陶瓷材料的抗氧化性能的一个非常有效的途径。

碳纳米管-TiB_2陶瓷基复合材料的制备与性能研究

研究了用热压烧结(HP)方法制备TiB2-xwt％CNTs-5wt％Ni(x=0．1、0．3、0．5、1、4)复合材料的工艺条件、力学性能和微观结构．用XRD研究了其相组成,用SEM观察了复合材料的断口形貌和裂纹扩展．研究表明:碳纳米管的加入使复合材料的硬度、弯曲强度和断裂韧性得到明显的提高,并且在碳纳米管含量为0．5wt％左右时,复合材料的硬度达到20．5GPa,弯曲强度为496MPa,断裂韧性达7．25MPa．m1／2;断口形貌分析表明碳纳米管主要分布于TiB2颗粒的晶界处,复合材料的增韧机制主要是碳纳米管的拔出机制和桥联机制．

TiC-Ni梯度功能材料的优化设计

对TiC -Ni梯度功能材料在制备过程中的残余热应力进行了计算机有限元模拟 ,考察了梯度组成分布指数对热应力大小、最大热应力发生的位置以及纯陶瓷TiC侧热应力状态的影响 ,综合分析了热应力的大小和分布 ,得到了缓和制备热应力的梯度组成分布指数P =1 .0的优化设计结果 .

TiC-Ni梯度功能材料的燃烧合成与残余应力分析

采用自蔓延高温燃烧合成反应结合准热等静压技术 (SHS/PHIP)制备了组织连续分布的 Ti C- Ni系梯度功能材料 ,产物的成份分析显示 Ni元素沿厚度方向趋于连续过渡 ,改善了反应前的阶跃式分布。对 Ti C- Ni FGM在制备过程中的残余热应力进行了计算机有限元分析 ,并与 Ti C- Ni两层直接结合体进行了比较 ,发现 FGM具有明显的热应力缓和效果。

TiC-Ni-Mo金属陶瓷的SHS法合成

利用自蔓延高温燃烧合成结合准热等静压技术（ＳＨＳ／ＰＨＩＰ）成功地制备了高致密度的ＴｉＣ２４Ｎｉ６Ｍｏ金属陶瓷（ＴＮ３０）。金属陶瓷主要由球形ＴｉＣ颗粒和近乎网状的Ｎｉ粘结相组成。ＴｉＣ颗粒与粘结相界面结合良好，部分粘结相中残留有微量的游离碳。ＴＮ３０的抗弯强度和抗压强度分别达到９１０ＭＰａ和３．０４ＧＰａ。

TiC-Ni材料燃烧合成与致密化工艺参数的优化

通过燃烧合成与致密化方法制备了TiC -xNi系金属陶瓷材料 ,通过实验优化了Ti -C -xNi体系燃烧合成与致密化过程中的工艺参数 ,最终确定了各体系燃烧合成时的最佳预制块相对密度为 5 6 %左右 ,预压力P1为 10MPa ;确定了致密化时的高压力P2 为 16 0MPa ,高压保压时间t2 为 2 0s 。

工艺参数对Ti-C-Ni体系燃烧合成过程的影响

计算研究了Ni含量对Ti-C -Ni三元体系燃烧合成绝热温度的影响 ,试验研究发现随着Ni含量、稀释剂含量和Ti颗粒尺寸的增加 ,Ti-C -Ni体系燃烧温度和燃烧速度呈下降趋势。Ni在Ti-C -Ni体系中参与了放热反应。最佳的预制块相对密度为 5 0 %～ 6 0 % ,此时Ti-C -Ni体系燃烧速度最快。

TiB/Ti基金属陶瓷的自蔓延高温合成与耐磨性研究

通过自蔓延高温合成结合准热等静压技术制备了TiB/Ti基金属陶瓷 .采用环块接触形式进行材料的耐磨试验 .研究了TiB/Ti基金属陶瓷材料的微观组织和相结构 ,重点探讨了它的磨损特性和磨损机制 .结果表明 :TiB/Ti基金属陶瓷具有优良的耐磨性 ,在干摩擦条件下 ,载荷为 4kg ,磨损时间为 2h时 ,材料几乎没有质量损失 ,其磨损机制主要为粘着磨损。

TiC-xNi金属陶瓷的燃烧合成及其热物理性能

利用自蔓延高温燃烧合成结合机械压力方法制备了TiC -Ni金属陶瓷 ,研究了TiC -Ni金属陶瓷材料的密度、比热容、热传导以及热膨胀性质随温度和组成的变化关系 .结果表明 :TiC -Ni材料的密度在w(Ni)为 2 0 %时致密性达到最高 ,材料的比定压热容在测试温度区内呈线性增加 ;TiC -Ni材料的热扩散率随温度的升高基本呈增加趋势 ,热扩散率随Ni含量的增加而增加 ;热导率的变化与热扩散率的变化有相似的规律 ;材料的热膨胀系数随温度的升高单调递增 ,温度上升相同情况下 ,材料的热膨胀系数随Ni含量的增加而增加 .

TiC/Ni/TiC材料的SHS合成研究

通过ＳＨＳ结合准等静压法（ＰＨＩＰ）得到了ＴｉＣ／Ｎｉ／ＴｉＣ材料，在ＳＨＳ过程中，Ｎｉ沿试样厚度方向向两层ＴｉＣ中对称渗流，在每层ＴｉＣ当中，Ｎｉ呈梯度分布，材料的硬度（ＨＲＡ）从中心向两边呈对称分布。理论上分析了Ｎｉ在两层ＴｉＣ中呈梯度分布所需的渗流动力。

TiB/Ti基金属陶瓷燃烧合成反应热力学

为了解Ti-B二元体系的自蔓延合成反应进行的方向和最终产物的相组成,对Ti-B二元体系燃烧合成反应生成TiB的自由焓变、自由能、反应绝热温度和燃烧温度进行了理论分析和实验研究.结果表明,Ti含量过量的情况下TiB的反应生成自由焓比TiB2的反应生成自由焓高,反应生成自由能比TiB2的更低,TiB在生成热力学上比TiB2更稳定,Ti与B的SHS反应更易生成TiB相.Ti-B二元体系的反应绝热温度和燃烧温度随着Ti含量的提高而呈下降趋势.

燃烧合成TiC-Ni金属陶瓷研究与试验的热膨胀特性

利用自蔓延高温燃烧合成结合机械压力方法制备了TiC -Ni金属陶瓷 ,研究了TiC-Ni金属陶瓷材料的热膨胀性质随温度和组成的变化关系。结果表明 ,材料的热膨胀系数随温度的升高单调递增 ,上升相同温度情况下 。

大尺寸硬质合金部件的燃烧合成研究

采用自蔓延高温燃烧合成结合准热等静压技术 (SHS/PHIP) ,成功地得到了致密性良好、直径为 2 4 0mm的大尺寸TiC Ni系硬质合金部件。燃烧合成产物由TiC和Ni两相组成 ,Ni粘结相基本上呈网状连续分布于球形的TiC颗粒周围 ,随着Ni含量的增加 ,TiC颗粒尺寸减小。