聚合物浸渍裂解法制备C/C-ZrC-SiC-ZrB2复合材料及其性能研究

以有机ZrC、ZrB2前驱体和聚碳硅烷的混合溶液为浸渍前驱体,利用聚合物浸渍裂解法(PIP)制备了C/C-ZrC-SiC-ZrB2复合材料,并对材料的微观形貌、弯曲和烧蚀性能进行了研究。研究结果表明:利用该方法可制备出陶瓷相填充充分且分布均匀的C/C-ZrC-SiC-ZrB2复合材料。材料的弯曲强度为126.31 MPa,断面有大量的纤维束拔出,表现出良好的假塑性断裂模式。经过120 s氧–乙炔烧蚀,材料无明显烧蚀,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为–2.50×10-4mm/s和–1.33×10-4g/s。在材料表面不同区域形成不同的保护层,不仅能够降低氧气和热流向材料内部扩散,还具有弥补缺陷的作用,使材料表现出优异的抗烧蚀性能。

PIP工艺对2DC／SiC-ZrB2复合材料结构和力学性能的影响

采用CVI结合SI及PIP工艺制备2D C/SiC-ZrB2复合材料。研究了PIP工艺中循环浸渍次数及热处理对复合材料结构和力学性能的影响。比较了多孔C/SiC浸渍浆料后用PIP结合CVI致密化和仅用CVI致密化的效果。结果表明:浸渍裂解后,热处理温度相同,热处理次数对复合材料的开孔率和弯曲强度影响不大。2D C/SiC-ZrB2复合材料的弯曲强度不随PIP次数的增多而增加,PIP处理二次后,复合材料的强度逐渐增加,PIP处理五次,强度达到最大值,制备的复合材料开孔率为8.0%、弯曲强度为423 MPa。SI后用PIP结合CVI致密化比仅用CVI致密化效果好。

高固相含量浆料浸渍结合PIP法制备C/C–ZrB2–SiC复合材料及其性能（英文）

往C/C复合材料中加入超高温陶瓷,以满足其在高温有氧环境中的应用。采用高固相含量浆料浸渍结合前驱体浸渍裂解工艺制备C/C-ZrB2-SiC复合材料,研究ZrB2浆料的分散性和流变行为,以及C/C-ZrB2-SiC复合材料的显微组织、力学性能和烧蚀性能。结果表明:硼化锆浆料在分散剂聚乙烯胺含量为0.40 wt.%、pH值为5的条件下具有良好的分散性和较低的黏度。陶瓷相均匀地分布在C/C复合材料的网胎层和针刺区;C/C-ZrB2-SiC复合材料的抗弯强度为309.30MPa,其在2500℃氧乙炔火焰烧蚀条件下显示出优异的烧蚀性能,质量烧蚀率和线烧蚀率分别为0.40 mg/s和0.91μm/s。此外,在烧蚀过程中,复合材料表面形成连续、致密的二氧化锆层,能有效地降低氧气向材料内部的扩散速率,对复合材料形成良好的保护。

溶胶–凝胶法制备核级ZrB2粉体

针对核级ZrB2–IFBA可燃毒物燃料的特点,以硼酸、硝酸氧锆作为B、Zr源,葡萄糖为C源,通过溶胶-凝胶技术和热碳还原工艺制备出核级ZrB2超微粉体。采用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、化学滴定仪等分析了样品的相组成、微观形貌和元素质量分数。结果表明,当Zr:B:C=1:2.2:6.5（摩尔比）时,在1300℃保温2 h后可获得平均粒径为0.41μm的超微ZrB2粉体,整个过程B损失率最低为10.6%（质量分数）,与现有工业化ZrB2粉末制备工艺相比,B损失率显著降低。

ZrB2加入量对BN-AlN-TiB2复相陶瓷性能的影响

以h-BN、TiB2、AlN、Y2O3粉为主要原料,研究了ZrB 2的加入量(添加质量分数分别为1%、2%、3%、4%和5%)对BN-AlN-TiB 2复相陶瓷显气孔率、抗弯强度和电阻率的影响,并用XRD和SEM分别表征了试样的物相组成和显微结构。结果表明:随着ZrB2添加量(w)从1%增加到5%,BN-AlN-TiB2复相陶瓷的显气孔率显著降低,抗弯强度显著提高,而电阻率明显降低。当ZrB2加入量(w)为5%时,BN-AlN-TiB2复相陶瓷的各项性能较佳。

ZrC复相陶瓷表面等离子喷涂ZrB2-SiC-ZrC陶瓷涂层的制备

为了提高ZrC陶瓷的高温性能,先采用Zr、Si和B4C原料粉末通过反应热压烧结制备ZrB2-SiC-ZrC喷涂粉末;再在喷砂处理后的ZrC复相陶瓷基体表面利用等离子喷涂技术制备ZrB2-SiC-ZrC涂层;对喷涂粉末的形貌及粒度、涂层的物相组成、表面和断面的显微组织及结合强度进行了分析和测试。结果表明:真空反应热压烧结法成功地制备出ZrB2-SiC-ZrC喷涂用材料,物相分析显示ZrB2、SiC和ZrC是主要的结晶相。涂层中的物相与喷涂前反应烧结试样的物相组成一致。不同喷涂条件下得到的ZrB2-SiC-ZrC涂层表面均呈凹凸不平的起伏形貌。涂层断面形貌显示,涂层与基体界面结合紧密,没有明显的开裂,涂层厚度均匀,表明采用等离子喷涂技术可以实现ZrC复相陶瓷上免粘结层的ZrB2-SiC-ZrC涂层的制备。

ZrB2及其复合陶瓷的高温抗氧化性能

综述了ZrB_2及其复合陶瓷的高温氧化行为,认为ZrB_2陶瓷是一种优异的高温结构材料,其氧化失效是由于氧化产物B_2O_3保护层挥发失效而导致的;二元陶瓷ZrB_2-SiC由于SiC的加入,高温抗氧化性能大大提高,并对其在不同温度下的氧化物结构进行了阐述。在此基础上提出了进一步提高ZrB_2-SiC陶瓷抗氧化性能和服役温度的方法,并以添加TaC和LaB_6形成三元复相陶瓷为例进行了说明。

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。

碳热／硼热还原法制备ZrB2-SiC复合粉体

以氧化锆、氧化硅、氧化硼及活性炭为原料,采用碳热/硼热还原法制备了ZrB_2-SiC复合粉体,并对合成过程进行了热力学分析,研究了反应温度以及活性炭含量对复合粉体物相组成和显微结构的影响。结果表明:在1 400~1 450℃温度范围可以合成ZrB_2-SiC复合粉体;提高反应温度有利于合成ZrB_2-SiC复合粉体,经1 450℃保温3h反应可以得到较纯的ZrB_2-SiC复合粉体;活性炭过量50%和75%(物质的量分数)条件下制备的复合粉体的物相组成基本相同。

ZrB2/C复合材料的微观结构与高温氧化机理

在碳基体材料中添加ZrB2抗烧蚀组元,经过热压固化成型、炭化处理制得改性碳基复合材料。经过1 500℃静态抗氧化实验后,对比发现添加ZrB2的复合材料抗氧化能力得到提高。通过SEM观察发现ZrB2在高温下被氧化形成致密保护层,能有效阻止氧气扩散进入碳基体。通过热力学计算进一步分析了碳基复合材料在制备和高温氧化过程中的化学反应机理。

ZrC/ZrB2纳米多层膜的微观结构与机械性能的研究

选择ZrC和ZrB2为个体层材料,利用射频磁控溅射系统在室温下制备具有纳米尺寸的ZrC/ZrB2多层膜.通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、俄歇电子能谱、表面轮廓仪及纳米力学测试系统研究了调制周期与ZrC,ZrB2单层厚度比例(tZrC:tZrB2)对多层膜生长结构和力学性能的影响.结果表明,多层膜的界面清晰,调制周期性好,大部分多层膜的纳米硬度和弹性模量值都高于两种个体材混合相的值,在调制比例tZrC:tZrB2=1:1.7、调制周期为32 nm时,薄膜显示出很强的ZrC(111)择优趋向和较弱的ZrB2(001)及ZrB2(002)结构,同时产生硬度异常升高的超硬效应,其硬度达到42 GPa.多层膜的机械性能改善明显与其调制结构和多晶结构有着直接的联系.

ZrB2-SiC超高温陶瓷的定量分析

利用XRD对超高温陶瓷粉进行分析,从衍射谱图能得到各物相组成为ZrB2、SiC、ZrO2,并且采用全谱拟合法对各物相进行定量计算。结果显示,定量分析结果的绝对误差小于2%,全谱拟合分析方法能准确地对超高温陶瓷的物相进行定量分析。

熔盐对ZrO2纤维模板辅助燃烧合成ZrB2纤维的影响

以ZrO_2纤维、B_2O_3粉、Mg粉为原料,分别以NaCl、MgCl_2及NaCl、MgCl_2复合盐为稀释剂,采用模板辅助燃烧合成法,经酸洗制备了ZrB_2短纤维,采用试算法计算了反应体系绝热温度,并对产物进行XRD和SEM表征。结果表明:反应体系的绝热温度随着熔盐掺量的增加而降低,掺NaCl体系绝热温度下降较为明显,尤其是在熔盐掺量较高的情况下。加入NaCl后产物物相主要为ZrB_2以及少量残余的ZrO_2,加入MgCl_2后产物中还有少量Mg_3B_2O_6。加入熔盐不仅能避免ZrO_2纤维的熔融,使产物更容易保持原料中纤维的形状,还能减小产物的晶粒尺寸,加入MgCl_2能促进产物晶粒的发育,随着MgCl_2掺量的增加,纤维上的颗粒逐渐发育成棱角分明的六方状晶体。从残余的ZrO_2含量和晶粒尺寸分析,单盐的效果要优于复合盐,MgCl_2的效果优于NaCl。

ZrB2改性C/C复合材料微观结构及烧蚀性能的研究(英文)

采用超声波真空浸渍-碳热还原法将ZrB2引入碳纤维预置体,结合热梯度化学气相渗透、高温石墨化工艺制备了ZrB2改性C/C复合材料.氧-乙炔烧蚀测试结果表明,添加了6.87 wt%ZrB2后,C/C复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别下降了64.9%和67.5%.分析表明,C/C复合材料的烧蚀主要是由热化学和热物理反应控制,机械剥蚀在烧蚀过程中仅起到次要作用.烧蚀产物ZrO2/B2O3在烧蚀过程中的挥发会带走大量的热,从而减少了烧蚀火焰对烧蚀表面的热冲击.

ZrB2-SiC复合粉体添加量对低碳镁碳耐火材料性能的影响

以ZrB_2-SiC复合粉体替代鳞片石墨,在473K固化12h制备ZrB_2-SiC/MgO-C耐火材料,并分别在1 373,1 673K进行了热处理,研究了复合粉体添加量(质量分数在0~4.0%)对该耐火材料物理性能、力学性能和抗热震性能的影响。结果表明:随复合粉体添加量的增加,固化后和热处理后耐火材料的常温抗折强度和耐压强度均先增后降,热处理温度对常温物理和力学性能的影响很小;1 673K热处理后耐火材料的高温抗折强度均随复合粉体添加量的增加先增后降;1 673K热处理后耐火材料在测试温度低于673K时主要发生弹性变形,在测试温度不低于673K时则发生塑性变形;以ZrB_2-SiC复合粉体替代石墨能较大幅度地提高耐火材料在氧化气氛下的抗热震性能。

石墨和C/C复合材料表面ZrB2-SiC陶瓷涂层的研究进展

C/C复合材料具有优异的高温力学性能,是航空航天领域最具发展前景的结构材料之一,但在高温含氧环境中的氧化问题严重地限制了其实际应用。涂层技术是提升基体抗氧化能力的有效手段,因ZrB2-SiC陶瓷涂层具有优异的抗氧化、抗烧蚀、抗热震等性能,非常适合作为C/C复合材料的高温防护涂层。首先,介绍了ZrB2-SiC陶瓷涂层在氧化和烧蚀过程中组织结构的演变规律,阐明了该涂层的高温防护机理;然后,综述了该涂层的主要制备方法(包埋法、CVD、等离子喷涂)及每种方法的优点与不足,并对不同方法所制备涂层的抗氧化性和抗烧蚀性进行了比较;之后,针对该涂层研究和应用中存在的问题,如涂层致密性差、元素分布不均匀、应用温度范围窄、与基体热匹配性差等,从粉体改性和掺杂改性两方面总结了该涂层的改性研究现状,重点阐述了对ZrB2-SiC粉末进行喷雾造粒和感应等离子球化处理对于提升等离子喷涂涂层性能的重要意义;最后,从涂层制备、涂层结构设计、涂层改性、涂层性能测试等方面,指出了该涂层体系存在的主要问题和未来的发展方向。

ZrB2-SiC粉末与等离子射流场的相互作用

为了探究等离子喷涂制备ZrB2-SiC涂层组织结构疏松、致密性差的原因,采用去离子水对经过射流场加热的粉体进行收集,对比前后粉体的组织结构特征以及物相变化。设计单颗粒沉积试验探究粉体的熔化状态以及变形颗粒的形貌特征,并与等离子喷涂制备涂层进行对应分析。结果表明,由于"涡流效应"使得经过等离子射流场的ZrB2-SiC粉体与卷入的氧气发生反应,粉体出现轻微氧化现象。经过等离子射流场后,ZrB2-SiC粉体呈现3种形貌特征:表面光滑型、表面多孔型、表面团聚型。其原因与等离子射流温度场非均匀性以及粉体的飞行路径有关。变形颗粒呈现与之相对应的3种形貌特征:熔化充分颗粒、团聚堆积颗粒、以及介于两者间的半熔融半疏松颗粒。共晶组织包裹的ZrB2颗粒容易在涂层中形成致密区,而团聚堆积的ZrB2和SiC颗粒是涂层形成疏松区的主要原因。

ZrB2陶瓷制备研究进展

航天航空、新兵器、新能源等高科技领域的快速发展对超高温陶瓷材料提出了迫切的需求,ZrB2陶瓷材料是最重要的超高温陶瓷材料之一。本文阐明了ZrB2陶瓷拥有优异性能的原因,综述了ZrB2陶瓷材料的制备研究进展,介绍了固相法、气相法、前体法制备ZrB2陶瓷材料的机理,对比了各种ZrB2陶瓷材料制备方法的优缺点,并指出了有机前体转化法具有可设计性好、不含杂质元素、成型可控、陶瓷转化温度低等优点。本文总结得出有机前体转化法是制备ZrB2超高温陶瓷复合材料较理想的方法,以及基于有机聚合物的ZrB2陶瓷前体是未来重要的发展方向之一。

晶粒互锁结构与短切碳纤维增韧ZrB2-SiC复合材料的制备与力学性能

ZrB2-SiC基复合材料具有比单体ZrB2更优异的抗氧化性能及力学性能,但其相对较低的韧性限制了其实际工程应用,采用微结构设计或引入增韧相是改善陶瓷材料韧性的两个有效途径。本研究采用反应热压烧结工艺,分别制备了具有独特片状ZrB2晶粒互锁结构的ZrB2-SiC复合材料和以短切碳纤维(Csf)为增韧相的Csf/ZrB2-SiC复合材料。对比研究发现,晶粒互锁结构展现出优异的自强韧化效果,使ZrB2-SiC复合材料具有较高的弯曲强度及断裂韧性,但材料表现出典型的脆性断裂特征;Csf/ZrB2-SiC复合材料弯曲强度下降,但Csf具有显著的增韧作用,不仅使材料具有较高的断裂韧性,而且临界裂纹尺寸及断裂功都得到显著提高,从而表现出非灾难性破坏模式。

ZrB2材料的制备工艺与应用

ZrB2陶瓷材料具有耐高温、抗热震、抗氧化的特性,且在超高温陶瓷中具有较低的理论密度,使其成为航空航天等超高温领域中最具吸引力的材料之一。本文分别就ZrB2材料的结构性能、高温氧化机制、粉体合成、复合材料及其涂层的制备工艺等方面进行了综述。