固溶TaB2对HfB2-SiC陶瓷材料的组织结构与力学性能的影响

以HfO2、Ta2O5和B为原料,通过硼热还原法原位固溶TaB2制备出HfB2粉体,然后加入20vol%SiC,通过放电等离子烧结(SPS)制备HfB2-SiC复相陶瓷,探究固溶TaB2对陶瓷显微结构和力学性能的影响。结果表明,随着固溶TaB2含量的增加,合成HfB2粉体的粒径显著降低,HfB2-TaB2固溶体的晶格常数减小。在SPS烧结下,固溶不同含量TaB2的HfB2-SiC陶瓷粉均实现全致密,但随着固溶TaB2含量的增加,HfB2-SiC陶瓷材料的硬度和韧性略有降低。

C/C-SiC-HfB2多元陶瓷基复合材料烧蚀机理分析

针对C/C复合材料抗氧化性能差的问题,采用化学气相沉积和先驱体浸渍裂解炭化复合致密方法制备出密度为1.85 g/cm^3的C/C-SiC-HfB2复合材料,通过氧乙炔火焰烧蚀测试了材料的质量烧蚀率和线烧蚀率,借助SEM、XRD和能谱等观察分析了微观结构及物相变化,详细研究并阐述了C/C-SiC-HfB2复合材料的高温抗氧化烧蚀机理。结果表明,制备的C/C-SiC-HfB2复合材料烧蚀率低,质量烧蚀率为0.001 g/s,线烧蚀率为0.003 mm/s;良好的烧蚀结果是因为在烧蚀过程中,在材料表面形成HfO2热障材料层、致密的SiO2玻璃层和SiO2/HfO2氧化复合层,阻碍了氧气和热量从表面向材料内部的传递,使氧化烧蚀行为只限于表面,保护了材料内部不受破坏,提高了材料的高温抗氧化、抗烧蚀性能。

HfB2-ZrB2-SiC改性C/C复合材料的制备及性能

将HfB2和ZrB2陶瓷粉按体积比1:1混合制成高固相含量的浆料,通过料浆浸渍结合聚碳硅烷先驱体的浸渍裂解,制备密度为3.37 g/cm^3的C/C-HfB2-ZrB2-SiC复合材料,研究材料的显微组织、力学性能及抗烧蚀性能。结果表明:料浆浸渍法引入的HfB2和ZrB2陶瓷颗粒主要分布在C/C多孔复合材料的网胎层及针刺区,聚碳硅烷裂解产生的SiC主要分布在陶瓷颗粒及纤维束间,这3种陶瓷相都均匀地填充于材料内部。C/C-HfB2-ZrB2-SiC复合材料的抗弯强度和断裂韧性分别为382.6MPa和11.2MPa·m^1/2,表现出明显的假塑性断裂特征。C/CHfB2-ZrB2-SiC复合材料在烧蚀过程中生成HfO2-ZrO2复相氧化膜阻止氧进入材料内部,提高抗烧蚀性能。在2 500℃/120 s的烧蚀条件下表现出优异的抗烧蚀性能,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.71μm/s和0.53 mg/s。

HfB2液相有机前驱体的合成及其陶瓷化

以三氯化硼、氯化铵、异丙胺和三乙胺等为原料制得液相BN前驱体聚硼氮烷（PBN）为硼源,以HfC有机前驱体作铪源,通过液相途径合成HfB2有机前驱体,并通过前驱体裂解得到了HfB2陶瓷粉体。采用XRD、FTIR、SEM/EDS、TEM和SAED等分析测试手段对前驱体裂解产物组成、微观形貌和结构进行表征,讨论了硼源和铪源比例对HfB2有机前驱体合成的影响,并研究了HfB2有机前驱体的陶瓷化行为。研究结果表明：B/Hf摩尔比为6∶1时成功制备液相HfB2前驱体,该前驱体在1500℃时完全转化为HfB2陶瓷相,所得产物颗粒尺寸约为200 nm。上述HfB2陶瓷相的形成基于前驱体在低温段裂解形成的HfO2的硼热还原反应。

SPS反应烧结HfB2复合材料的制备和性能

针对HfB2陶瓷材料难烧结和韧性差等问题,选择ZrC粉、Si粉和C粉为烧结助剂,借助ZrC-Si-C间的原位反应生成ZrSi2和SiC,促进HfB2陶瓷的烧结,并提高HfB2陶瓷的综合力学性能。结果表明,HfB2与烧结助剂的混合粉体经放电等离子烧结(SPS)在1600℃保温10 min和40 MPa的压力条件下制备出相对密度为96.6 1%的HfB2-ZrSi2-SiC复合材料,所制样品的硬度、抗弯强度和断裂韧性均随着烧结助剂ZrC-Si-C含量的增加呈现先上升后降低的趋势。当ZrC-Si-C添加量为10%时所制备样品的综合力学性能最好,其硬度值为26.80±1.2 GPa、抗弯强度为504±40 MPa、断裂韧性值为4.66±0.21 MPa·m1/2。

硼化铪粉体的制备与表征

本文采用碳热还原法,在氩气气氛下1750℃保温1h制备出HfB2粉体,反应物HfO2、B2O3和C的物质的量比为1∶1∶10,其中HfO2以凝胶形式加入,HfO2凝胶通过NaBH4滴定HfCl4溶液制备,C分别以活性炭和碳纤维形式加入,聚乙二醇(PEG)作分散剂,乙醇作为混合介质。用XRD、SEM和EDS分析方法对所得粉体进行了表征。结果表明:用活性炭作为还原剂制备HfB2,颗粒细小,均匀,平均粒径5μm,粒子为球形;用碳纤维作为还原剂制备HfB2,由于碳纤维活性差,反应不彻底,且碳纤维对颗粒形貌无影响。

HfB_2-HfC-SiC改性C/C复合材料的超高温烧蚀性能研究

目的制备HfB_2-HfC-SiC复相陶瓷改性C/C复合材料,并探究该材料的超高温烧蚀性能。方法采用化学气相渗透结合前驱体浸渍热解工艺制备HfC-SiC复相陶瓷改性C/C复合材料(C/C-HfC-SiC)和HfB_2-HfC-SiC复相陶瓷改性C/C复合材料(C/C-HfB_2-HfC-SiC),采用大气等离子烧蚀实验研究材料的超高温烧蚀性能。结果C/C-HfC-SiC和C/C-HfB_2-HfC-SiC复合材料2200℃线烧蚀率分别为1.54×10^(-3),1.38×10^(-3)mm/s。结论复合材料具有独特的微结构特征,亚微米级的HfB_2和HfC基体均匀弥散分布在SiC基体中。复合材料表面原位生成的液相SiO_2和固相HfO_2复合氧化物膜,既可以抵抗高速气流的冲蚀,又可以抵抗氧化性气氛的向内扩散,是复合材料具有优异超高温抗烧蚀性能的主要原因。

基体改性C/C-HfC-HfB_2-SiC复合材料抗烧蚀性能研究

以碳化铪有机前驱体、硼化铪有机前驱体和聚碳硅烷混合溶液为浸渍剂,采用化学气相渗透(CVI)和液相浸渍-裂解(PIP)工艺制得了准3D C/C-HfC-HfB2-SiC碳陶复合材料。采用电弧风洞结合扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射分析(XRD)对复合材料的结构及氧化失效行为进行了初步探讨。结果表明,高密度的基体改性C/C-HfC-HfB2-SiC复合材料具有良好的抗烧蚀性能,复合材料在2 300 K/600 s电弧风洞(含水5%)试验条件下的质量烧蚀率和线烧蚀率分别仅为1.22×10-6g/(cm2·s)和1.33×10-5mm/s。密度和温度对复合材料抗烧蚀性能影响较大,密度从2.63 g/cm3增加到3.75 g/cm3时,复合材料在2 300 K条件下的线烧蚀率降低了3个数量级,当温度从2 300 K升高的2 400 K时,高密度复合材料的线烧蚀率增加了约1 000倍,烧蚀过程中较高密度的复合材料表面容易形成更为致密的氧化膜是其具有良好的抗氧性能的重要因素。

六方HfB_2弹性性质、电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似平面波超软赝势法,计算了六方HfB2的几何结构、弹性性质、电子结构和光学性质.计算得到的晶格常数和弹性常数均与实验值相符,并说明了六方HfB2的晶体结构是稳定的;通过Reuss-Voigt-Hill模型计算得到了六方HfB2的体积、剪切、杨氏模量及泊松比,同时获得了六方HfB2的德拜温度,计算结果都与实验值相一致;六方HfB2的电子结构表明其具有金属性和共价性;计算得到六方HfB2在(100)和(001)方向上的光学线性响应函数随光子能量的变化关系,包括复介电函数、复折射率、反射光谱、吸收光谱、损失函数和复光电导谱,计算得到其静态介电常数在(100)和(001)方向上分别为47.92和27.77,折射率分别为6.93和5.27,计算结果表明了六方HfB2在(100)和(001)方向上具有光学各向异性,这为六方HfB2的应用提供了理论参考数据.

HfB_2-SiC超高温材料研究进展

HfB_2具有高熔点(3250℃)和高硬度(29GPa),成为颇具潜力的超高温材料。目前研究较多的是HfB_2-SiC复合材料。主要介绍了HfB_2-SiC复合材料的常用制备方法,包括热压烧结、放电等离子体烧结、化学气相沉积等,并展望了HfB_2-SiC超高温材料的发展趋势。

注凝成型制备HfB_2-SiC复合陶瓷

采用注凝成型制备HfB2-SiC复合陶瓷,讨论了分散剂、pH值、固相体积含量对HfB2-SiC复合陶瓷浆料粘度的影响,并采用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱等手段对制备烧结体的物相组成和显微结构进行了分析研究。结果表明,在HfB2中添加质量分数为20%的SiC,pH为10.6,分散剂体积分数为8%的条件下,HfB2-SiC复合粉体浆料的固相体积分数为40%,粘度为600mPa.s;在烧结体中HfB2和SiC以主晶相的形式存在于复合材料中,二者存在良好的界面结合,显微结构致密。

HfB_2-SiC复合材料研究进展

HfB2复合材料是一种性能优异的高温结构材料,具有高熔点、高硬度、高热导率等优良性能,具有广泛的应用前景。本文概述了HfB2-SiC复合材料的研究现状,并对其力学性能进行了评价;总结了近年来国内外在HfB2基复合材料烧结工艺方面的研究进展。

双相颗粒混杂增韧HfB_2陶瓷复合材料的研究

将两种颗粒增韧相与HfB2陶瓷基体按配比混料、热压制备了双相颗粒混杂增韧HfB2陶瓷复合材料,重点研究其高温压缩性能、热膨胀性能、耐烧蚀性能以及显微组织。结果表明,HfB2复合材料的室温压缩性能较高,但高温下压缩性能显著下降。随着温度升高,HfB2复合材料的体积膨胀率单调增加;平均线膨胀系数变化平缓;而瞬时线膨胀系数先减小后增大,有一个最小值,最小瞬时线膨胀系数在900℃,其值为5.65×10-6/K。该复合材料在等离子电弧加热器上烧蚀8s后,部分韧化相熔化飞出,留下孔洞。

烧结助剂对HfB_2-SiC基超高温陶瓷组织和性能的影响研究

采用热压烧结工艺制备出HfB_2-20%SiC(HS)、HfB_2-20%SiC-5%Si_3N4(HSS)和HfB_2-20%SiC-5%AIN(HSA) (体积分数,下同)3种超高温陶瓷基复合材料,对材料进行了微结构表征和力学性能测试,并对Si_3N_4、AIN烧结助剂的作用机理进行了初步分析。结果表明,与HfB_2-20%SiC相比,Si_3N_4和AIN烧结助剂的引入使材料的烧结温度从2200℃降低到1850℃,相对密度从95%提高到99%左右。材料的平均晶粒尺寸显著降低,形成了相应的晶粒边界相。力学性能测试结果表明,HfB_2-20%SiC-5%Si_3N_4和HfB_2-20%SiC-5%AIN的抗弯强度和断裂韧性均比HfB_2-20%SiC获得一定程度的提高。烧结助剂的引入使SiC/HfB_2超高温陶瓷材料的断裂模式从单纯的穿晶断裂转变为穿晶/沿晶混合的断裂模式。

高温热处理对SiBCN/HfC复相陶瓷物相组成及微观结构的影响

采用高能球磨-机械合金化法制备出非晶SiBCN粉末,并用放电等离子烧结(SPS)法制备SiBCN/HfC复相陶瓷。用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、场发射透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等研究了高温热处理对其物相组成与微观形貌的影响。研究结果表明,在机械合金化制备非晶SiBCN粉体过程中引入的氧,使BN氧化生成B2O3。在陶瓷烧结时部分HfC发生氧化生成HfO2,使1600℃热处理后, HfO2经碳热还原反应还原成HfB2,并在陶瓷基体内产生气孔。在1650和1800℃热处理过程中,HfO2被还原成HfB2后,基体中的HfC按照HfC+2C+B2O3=HfB2+3CO反应转化为HfB2。引入氧使SiBCN/HfC陶瓷在高温下发生物相转化,陶瓷基体也因气体产物的挥发变得疏松多孔。因此,控制氧含量对SiBCN/HfC复相陶瓷的高温应用具有一定的借鉴意义。

新型环硫硅烷偶联剂的合成及其对纤维界面性能的影响

合成了一种新型环硫硅烷偶联剂——γ-((2,3-环硫丙氧基)丙基)三甲氧基硅烷,与环氧硅烷偶联剂相比,具有较高的反应活性和更好的金属相容性。与B.P.Bandgar等的研究方法不同,该反应在完全无水的条件下无法反应,并且需要更长的反应时间。通过红外和核磁对最终产物进行了表征,并对该偶联剂对纤维界面的影响进行了初步研究。

HfN/HfB_2纳米多层膜结构调制及其力学性能

为了进一步了解调制周期对HfN/HfB2纳米多层膜力学性能的影响,利用多靶磁控溅射技术,在Si(100)基底上制备了一系列具有相同厚度不同调制周期的HfN/HfB2纳米多层膜。利用XRD、TEM、XP-2台阶仪、纳米压痕仪及摩擦试验机分别分析了多层膜的结构特征、力学性能和室温下摩擦性能。结果表明,室温下沉积的多层膜呈现出结晶/非晶的混合结构;随着调制周期的增大,多层膜的结晶程度先增加后降低,其硬度和弹性模量也呈现出先升高后降低的趋势;当调制周期为40nm时,多层膜的硬度和弹性模量均达到最大值,分别为(36.72±1.3)和(378.41±5.6)GPa,并且此时多层膜具有较高的膜基结合力(Lmax=67.3mN)和较低的平均摩擦系数(0.061);在调制周期为20nm时,多层膜的残余应力达到最小值为-0.82GPa;经过高温退火后,多层膜的硬度和弹性模量均无明显变化,说明其具有良好的热稳定性;多层膜的结构和力学性能随调制周期的变化归因于晶粒的细化。

纳米氧化铪粉体的制备及表征

以HfCl4为原料,NaBH4为沉淀剂,聚乙二醇(PEG)为表面活性剂,分别采用溶胶-凝胶法和沉淀法制备出HfO2纳米粉。并采用TG-DTA、XRD、SEM方法,对制备的前驱体、纳米粉体进行了分析和表征。研究了不同的制备方法对粉体粒径、粒子的影响。结果表明:溶胶-凝胶法制备出纳米粉体呈单斜晶型,平均粒径为20nm左右,粒子为球形,分散性较好;加入表面活性剂聚乙二醇,粒径变大,分散性变差;而化学沉淀法制备出纳米粉体,有少量晶须生成,晶须直径30nm,长度200nm。

HfB_2-Si_3N_4复合材料浆料流变性的研究

采用注凝成型技术研究了HfB2-Si3N4复合材料浆料的流变性能。主要讨论了pH值、分散剂、固相含量、球磨时间等对HfB2-Si3N4复合材料浆料粘度的影响。结果表明:当分散剂用量为8%(体积分数),pH值为10.9,球磨时间控制在15～20h时,可制得固相体积含量为38%,粘度为600mPa.s的HfB2-Si3N4复合浆料。

六方HfB_2晶体电子结构及光学性质的第一性原理计算

基于密度泛函理论，运用广义梯度近似超软赝势平面波方法，对六方二硼化铪（HfB2）晶体的结构进行几何优化，得到与实验值相符的晶格参数，然后对其能带和态密度进行了计算，得出HfB2具有一定的金属性，其内部存在着金属键和共价键，晶体中的所有价态电子对导带都有贡献，但Hf原子的5d和印电子占主要部分．在0～200GPa范围内，随着压强的增大其晶格参数减小．在零压下，对HfB2晶体在入射光偏振方向的导电性、介电函数、损失函数、折射率、反射率和吸收率等光学性质进行计算，最后讨论了0～200GPa压强下的吸收系数和反射率随压强的变化关系．