ZrB_2-SiC和C_(sf)/ZrB_2-SiC超高温陶瓷基复合材料烧蚀机理的研究

通过真空热压工艺制备了ZrB_2-SiC材料和C^(sf)(碳短纤维)/ZrB_2-SiC超高温陶瓷基复合材料.采用氧乙炔火焰在4186.8kW/m^2的热流下分别喷吹烧蚀两种材料180s.ZrB_2-SiC材料表面最高温度达到2406℃,烧蚀后质量烧蚀率为-0.14%,线烧蚀率为-1×10^(-3)mm/s,C_(sf)/ZrB_2-SiC材料表面最高温度达到1883℃,烧蚀后质量烧蚀率为-0.19%,线烧蚀率为-4×10^(-4)mm/s.对两种材料烧蚀表面和剖面的分析发现,ZrB_2-SiC材料烧蚀后由表及里依次形成了疏松ZrO_2氧化层、SiC富集层和未反应层的三层结构,其中SiC富集层能够起到抗氧化的作用.C_(sf)/ZrB_2-SiC材料烧蚀后由外到内分别形成了ZrO_2-SiO_2氧化层、SiC耗尽层和未反应层的三层结构,其中最外层以ZrO_2为骨架,SiO_2弥合其中的结构有效地阻挡了烧蚀中氧的侵入.

无压烧结硼化锆基ZrB_2-SiC复相陶瓷的结构与性能

以钇铝石榴石-YAG为烧结助剂,通过无压烧结制备了ZrB2-SiC复相陶瓷。研究了烧结助剂含量对烧结材料力学性能和显微结构的影响,材料的显微结构由扫描电镜SEM及其能谱分析EDS测定。研究结果表明,烧结助剂(YAG)和原料中的杂质形成玻璃相填充在晶界上,显著促进了硼化锆基ZrB2-SiC复相陶瓷的致密化。

烧结温度对ZrB_2-SiC超高温陶瓷致密化的影响

利用放电等离子烧结技术(SPS)在不同的烧结温度下对ZrB_2-SiC超高温陶瓷进行烧结,研究了烧结温度对烧结体致密化的影响。结果表明,在烧结温度分别为1650℃、1750℃、1850℃和1950℃,升温速度为200℃/min,保温时间为1 min,压力为50 MPa时,随着烧结温度的提高,烧结体的致密度呈上升趋势。当烧结温度高于1850℃时,烧结体的致密化过程明显加剧;通过对不同烧结温度下制得的试样的XRD谱图分析发现.当温度高于1850℃时ZrB_2-SiC陶瓷中的SiC相会发生3C相到4H相的转变,这可能就是当烧结温度高于1850℃时烧结体致密度会急剧上升的原因。

ZrB_2-SiC复相陶瓷的制备及其耐热冲击性能的研究

以Zr-B2O3-Mg为反应体系,利用自蔓延高温合成法(SHS)制备ZrB2粉体。分别在反应前和反应后掺入(体积分数)20%SiC,利用放电等离子烧结技术(SPS)制备ZrB2-SiC超高温陶瓷。采用SEM观察显微组织,利用阿基米德法测定密度,用氧炔焰进行热冲击试验。结果表明:与在自蔓延生成ZrB2后再掺入SiC的粉体相比,在自蔓延体系中直接掺入SiC粉体能够改善SiC的烧结活性及分散均匀程度,从而使相同烧结工艺下制备的ZrB2-SiC复相陶瓷具有较高的致密度和更好的抗热冲击性能。

ZrB_2-SiC/C层状复合陶瓷的高温氧化行为

利用流延法成膜和热压烧结工艺制备出了ZrB2-SiC层和石墨层交替排列、层厚均匀、界面清晰的ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷。采用循环氧化法对ZrB2-SiC和ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷在1000℃及1300℃空气中的氧化动力学曲线进行了研究。结果表明:在1000℃氧化增重时,ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷在氧化反应初期表现为氧化增重,随着时间的增加,表现为氧化减重。在1300℃时,ZrB2-SiC/C层状复合陶瓷由于基体层ZrB2-SiC和弱夹层石墨相的氧化规律的相互叠加,使得其氧化增重曲线表现为抛物线规律。由XRD分析及扫描电镜观察发现,1300℃氧化15 h后,试样中不存在弱夹层石墨相,由于石墨相的挥发,材料残留孔隙。

等离子喷涂制备ZrB_2-SiC涂层及其抗氧-丙烷焰流烧蚀性能

为提高C/C复合材料的抗高温烧蚀性能,利用大气等离子喷涂技术在C/C复合材料表面制备ZrB_2-SiC复合涂层,并对其进行抗高温氧-丙烷焰流烧蚀试验。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)对涂层的物相成分、微观形貌等进行检测分析。结果表明:大气等离子喷涂能在C/C复合材料表面制备出均匀致密的ZrB_2-SiC复合涂层,涂覆有ZrB_2-SiC涂层的C/C复合材料分别承受1 600、1 700和1 800℃的氧-丙烷焰流烧蚀300 s后依次增重0.63%、0.76%和0.71%,而烧蚀600s后试样质量烧蚀率分别为9.42×10^(-5)、2.04×10^(-4)和1.04×10^(-3)g/s。ZrB_2-SiC涂层显著提高了C/C复合材料的抗烧蚀性能,涂层氧化生成的玻璃态SiO_2能有效填充孔隙。直到SiO_2耗尽,涂层烧蚀后的孔洞成为环境中的氧进入基体的通道,导致基体烧蚀。

SPS烧结ZrB_2-SiC复合陶瓷的力学性能

用放电等离子体烧结(SPS)制备了ZrB2-30%SiC复合陶瓷材料,在万能力学试验机上测试陶瓷材料的弯曲强度和断裂韧性,用SEM观察陶瓷材料的断口形貌,并分析材料的断裂机制。结果表明ZrB2-SiC复合陶瓷的弯曲强度为743MPa,断裂韧性为6.5MPa·m1/2;断裂机制主要是沿晶断裂和穿晶断裂的混合机制。

ZrB_2-SiC的制备方法和性能研究

由于在极端环境中的优异物理化学性能,ZrB2基超高温陶瓷材料成为未来空天领域最具前途的候选材料之一,尤其是ZrB2-SiC材料近几年更成为研究热点。本文对ZrB2-SiC材料的制备、烧结致密化和力学性能等研究做了综合评述,重点对制备方法与使用性能间的关系进行了相关介绍。

混合炸药爆炸压实制备ZrB_2-SiC_w超高温陶瓷

为了改善ZrB_2-SiC超高温陶瓷材料的韧性,采用黑索今与硝酸铵混合炸药爆炸压实制备了SiC晶须增韧ZrB_2基超高温陶瓷,并研究爆炸压实过程中的能量与变形,爆炸压实坯密度与显微组织。结果表明,采用爆炸压实工艺制备了相对密度约95.25%的ZrB2-SiC_w陶瓷复合材料。随着混合炸药中黑索今质量的增加,爆轰压力单调增加,爆炸坯密度先增加,后减小,有一个最大值;钢管的外径收缩率、等效应变与爆炸坯密度变化一致;钢管变形能几乎不变,爆炸冲击能与粉末压实能同步增加。由于爆炸冲击波的作用,SiC晶须被折断成碎片;其组织为均匀、碎小的SiC晶须镶嵌于较大的ZrB_2颗粒中。

ZrB_2-SiC前缘构件气动加热及热应力的数值模拟分析

分别采用有限差分法和有限单元法对ZrB2-SiC前缘构件高超声速气动加热过程及其内部热应力进行了数值模拟,并以电弧风洞地面模拟实验对计算结果进行了验证.计算结果表明,飞行马赫数为6、总温2375K、总压4.41MPa、结构前缘半径为0.125mm时,5s时驻点温度达1870K,内部最大热应力达1240MPa,这将导致服役过程中材料失效.电弧风洞实验结果表明,5s时驻点温度达2175K,材料前缘因承受的应力超过其弯曲强度而断裂.计算结果与风洞实验结果吻合较好.

等离子喷涂制备ZrB_2-SiC复合涂层及其静态烧蚀性能

目的提高C/C复合材料的抗静态烧蚀性能。方法利用大气等离子喷涂技术在C/C复合材料表面制备ZrB_2-SiC复合涂层,对其进行1500℃的静态烧蚀实验。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)对涂层的物相成分、微观形貌等进行检测分析。结果采用大气等离子喷涂制备的ZrB_2-SiC涂层是由熔融的粉末粒子紧密堆积而成,呈现典型的层状结构,涂层均匀完整地覆盖于C/C基体表面,厚度约为200μm。涂覆有ZrB_2-SiC复合涂层的C/C复合材料试样在1500℃分别氧化2,3,4 h后,试样依旧保持完整,C/C基体未遭受损伤,试样的质量增加率依次为3.39%,2.95%,4.25%。结论采用大气等离子喷涂技术能够在C/C复合材料表面制备出厚度均匀、结构致密的ZrB_2-SiC复合涂层,ZrB_2-SiC复合涂层使C/C复合材料的抗静态烧蚀性能显著提高。

C_f/ZrB_2-SiC复合材料的制备及抗热冲击性能

采用前驱体转化法制备Cf/ZrB2-SiC复合材料,对材料的热物理和热震性能进行了研究。采用扫描电镜和X射线衍射分析材料的微观结构及物相变化。结果表明:复合材料在1 700℃热震循环10次材料保持完整,表现出了良好的抗热震性能。通过微观结构分析,高温氧化后生成的多孔SiO2氧化层能够吸收热应力,缓解因热震带来的巨大温度差,ZrB2组元的加入有效地提高了材料抗热震性。

SiC含量对ZrB_2-SiC/MgO-C低碳复合耐火材料性能的影响

以镁砂、鳞片石墨和ZrB_2-xSiC(x为0,20%,40%,60%,80%,100%,质量分数)复合粉为原料,经成型、干燥、固化和不同温度(1 373,1 673K)保温3h热处理后,制备得到ZrB_2-SiC/MgO-C低碳复合耐火材料,研究了SiC含量对该耐火材料物理和力学性能的影响.结果表明:随SiC含量的增加,固化后复合耐火材料的体积密度和常温抗折强度先增大后减小再略有增大,耐压强度则波动性降低,当SiC质量分数为20%时,复合耐火材料的常温性能最佳;在1 673K保温3h热处理后,复合耐火材料的抗折强度随温度的升高呈先增大后减小的变化趋势,当SiC质量分数为20%时,不同温度下的抗折强度均达到最大;SiC含量的改变对不同温度下的载荷和位移关系影响较小,复合耐火材料的塑性变形开始温度为873~1 073K,断裂温度均为1 673K.

ZrB_2-SiC复相陶瓷制备方法研究现状

综述了ZrB2-SiC复相陶瓷近年来的研究现状。总结了无压烧结、反应热压烧结、热压烧结、放电等离子烧结和一些其他方法制备ZrB2-SiC复相陶瓷的研究成果,并提出了ZrB2-SiC复相陶瓷目前研究中存在的问题和今后潜在的发展方向。

ZrB_2-SiC复合材料抗氧化性能研究

通过变温氧化增重试验和恒温氧化增重试验,研究了烧结温度对热压烧结制备的ZrB2-SiC复合材料的抗氧化性能的影响。结果表明:当烧结温度为1 750℃时,ZrB2-SiC复合材料的抗氧化性能最好,且该材料的抗氧化性能明显高于单相ZrB2材料。这归结于高温下ZrB2-SiC复合材料表层被氧化形成SiO2和ZrO2保护膜,阻止了材料的进一步氧化,从而提高了ZrB2复合材料的抗氧化性能。

添加少量聚碳硅烷对ZrB_2-SiC陶瓷烧结和力学性能的影响

以ZrB2和SiC粉体为原料,加入适量的聚碳硅烷(PCS),通过热压烧结制备ZrB2-SiC复合陶瓷材料。结果表明:PCS的加入提高了ZrB2-SiC陶瓷的烧结性能和力学性能,而对于没有球磨过的ZrB2其性能并没有提高。

氧化钇掺杂ZrB_2-SiC陶瓷基复合材料的抗烧蚀性能研究

采用热压烧结工艺制备了氧化钇掺杂Zr B2-Si C陶瓷基复合材料,利用高频等离子体电弧风洞对氧化钇掺杂Zr B2-Si C进行了2300℃和2400℃的抗氧化烧蚀性能测试,分析了氧化钇对陶瓷材料抗烧蚀性能的影响,探讨了稀土氧化物掺杂Si C-Zr B2陶瓷材料的抗烧蚀机理。结果表明,在升温及降温过程中均未开裂,材料具有较好的抗热冲击性能,质量烧蚀率分别为0.0344 g/s和0.0365 g/s,氧化层厚度分别为1 mm和2 mm,表面烧蚀中心和边缘的氧化产物分别为低温稳定相Zr O2和Si O2,氧化层结构仍旧是连续的,体现了材料较好的抗氧化烧蚀性能。

ZrB_2-SiC复相陶瓷的制备及其力学性能研究

以ZrB2和SiC粉为原料,采用Si3N4球为球磨介质,通过热压烧结制备了ZrB2-SiC复相陶瓷。并对ZrB2-SiC复相陶瓷进行了相对密度、力学性能检测和微观结构分析。结果表明:随着ZrB2球磨时间和SiC含量的增加,该复相陶瓷相对密度先增加后略有降低,ZrB2最佳球磨时间为8小时,SiC最佳含量为20vol.%。ZrB2+20vol.%SiC复相陶瓷的相对密度达到98.3%,抗弯强度达到631±4MPa,断裂韧性达到5.4±0.2MPa·m1/2。随着球磨时间的增加,ZrB2+20vol.%SiC复相陶瓷的断裂方式由穿晶断裂向沿晶断裂转变。

低压等离子喷涂ZrB_2-SiC复合涂层烧蚀机理研究

采用喷雾干燥制备出适用于低压等离子喷涂的ZrB2-SiC复合粉体，采用低压等离子喷涂可在石墨基体表面制备ZrB2-SiC复合涂层，研究了粉体和所制备的涂层组织形貌、相结构及烧蚀防护机理。结果表明：ZrB2-SiC复合粉体呈现良好球形，粒度介于20～50μm，流动性可达28s/50g；所制备的涂层呈现典型的等离子喷涂特征，涂层孔隙率为6.8%，结合强度达10.3MPa，物相与粉体一致；涂层经等离子弧烧蚀后呈现三种不同形貌区域，其中，中心高温区呈现ZrO2熔化再结晶形貌，过渡中温区由于熔融的SiO2有效填充涂层表面缺陷而呈现致密平整结构，边缘低温区因B2O3、SiO2熔融量不足无法填充缺陷而较多地保留喷涂态形貌。

TiAl合金与ZrB2-SiC陶瓷非晶钎焊接头组织与力学性能

采用Cu41.83Ti30.21Zr19.76Ni8.19(at.%)非晶钎料对Ti48Al2Cr2Nb合金与ZrB2-SiC陶瓷进行真空钎焊连接,通过扫描电镜、能谱分析、X射线衍射以及万能试验机对接头的微观组织和力学性能进行研究。结果表明:TiAl合金与ZrB2-SiC陶瓷钎焊接头的界面结构为TiAl/Ti2Al/AlCuTi/(Ti,Zr)2(Cu,Ni)+TiB+TiCu/Ti5Si3/ZS。当钎焊温度为910℃,随着保温时间的延长,靠近ZrB2-SiC一侧反应层宽度逐渐增大,接头中弥散分部的TiB和TiCu聚集长大。接头剪切强度随着保温时间的延长先上升后降低,当钎焊温度为910℃,保温20 min时,接头剪切强度最大,为187 MPa,通过对各工艺的接头断口分析,发现接头均断裂在陶瓷侧,断裂方式为脆性断裂。