一锅法合成SiC-ZrC复相陶瓷前驱体及其性能

以甲基三氯硅烷、二氯二甲基硅烷、二氯二茂锆以及金属钠为原料,通过一锅反应合成出一种全新的SiC-ZrC复相陶瓷前驱体(HBZS)。利用TG、FTIR、XRD及SEM等对HBZS的热解行为、分子结构以及热解产物的微观形貌与结构进行了全面分析。结果表明:HBZS在900℃时可以完全裂解转化成SiC-ZrC复相陶瓷,陶瓷收率可达60%以上;裂解产物中ZrC相晶粒尺寸极小(10~45 nm)且均匀分散于连续的SiC相中。该前驱体可用于制备SiC-ZrC陶瓷纤维及陶瓷基复合材料。

SiC-ZrC复相陶瓷先驱体的制备与性能

以炔基聚硅烷（PEPSI）为硅源和聚锆氧烷（PNZ）为锆源,制备了SiC-ZrC复相陶瓷先驱体。SiC-ZrC先驱体通过炔基的聚合、硅氢加成和锆氧烷与硅氢键的缩合,在260~340℃热固化。SiC-ZrC先驱体中加入乙酰丙酮镍（NIAA）,会降低先驱体的固化温度、提高陶瓷产率和促进陶瓷结晶,表明乙酰丙酮镍（NIAA）对SiC-ZrC先驱体具有催化固化和促进结晶的作用。N2气氛下,先驱体PEPSI-0.8PNZ-NIAA（PEPSI∶PNZ∶NIAA质量比为1.00∶0.80∶0.01）经1 600℃裂解的陶瓷产率为43%。XRD和SEM-EDS结果表明,SiC-ZrC先驱体在1 600℃下发生碳热还原反应,得到了纯度较高的SiC-ZrC复相陶瓷,Si、Zr和C元素在陶瓷材料中均匀分布。SiC-ZrC先驱体有望作为理想的高温陶瓷基体树脂。

SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的研究进展

SiC-ZrC复相超高温陶瓷改性C/C复合材料的制备工艺原理与单一陶瓷相改性C/C复合材料的工艺原理基本相同,但SiC-ZrC复相陶瓷具有耐高温、温域宽(1600~2500℃)、抗氧化、工艺适应性好等优点,在测试和应用中表现出优异的力学性能和抗烧蚀性能,能够有效填补目前高温段热防护材料的空缺,因此已经成为C/C复合材料基体掺杂改性的重要选择,在航天飞行器防热领域极具应用潜力。本文针对C/C-SiC-ZrC复合材料的发展潜力和应用空间,从制备工艺、结构特征以及性能特点三个方面综述了C/C-SiC-ZrC复合材料当前的研究进展,分析了制备工艺对复合材料微结构和性能的影响规律,提出了基于工程应用C/C-SiC-ZrC防热材料的发展建议。

钛酸铝-堇青石复相陶瓷的制备和性能研究

本研究以MgO为稳定剂,以堇青石为增强剂,通过固相反应法成功制备了钛酸铝-堇青石复相陶瓷,并系统研究了MgO和堇青石以及烧结温度对复相陶瓷物相组成、显微结构、烧结性能和热力学性能的影响。结果表明,MgO的引入促进了钛酸铝晶粒的合成和长大,降低了烧结温度,并通过形成Mg_(x)Al_(2(1-x))Ti_((1+x))O_(5)固溶体提高了钛酸铝陶瓷的热稳定性。堇青石在烧结致密化和力学性能方面起着重要作用。在1325℃烧结条件下,MgO含量为8.00%、堇青石含量为15.00%的样品表现出良好的性能,体积密度为3.49 g/cm^(3),气孔率仅为2.2%,抗弯强度达到66.8 MPa,热膨胀系数为2.6×10^(-6)K^(-1)(室温至1000℃)。研究结果为设计和制备具备优异综合性能的高温结构陶瓷提供了新的思路。

TiB_(2)/B_(4)C复相陶瓷自蔓延热爆炸烧结与性能表征

为了探究高硬度复相陶瓷高效且低成本的制备方法,利用自蔓延高温合成结合爆炸烧结技术,开展制备二硼化钛/碳化硼(TiB_(2)/B_(4)C)复相陶瓷的研究,成功制备厚度约为1 cm、直径约为5 cm的TiB_(2)/B_(4)C复相陶瓷块体。烧结样品物相和微观结构分析表征结果表明:烧结样品中TiB_(2)相和B_(4)C相分布均匀,截面观察到致密的微米级颗粒。该方法制备的样品致密度和硬度较高,随冲击压力不同,致密度范围在90%~93%之间,相应平均维氏硬度为16.64~17.35 GPa;根据不同条件下回收样品的微结构、致密度等分析,冲击压力和起爆时刻生坯温度对TiB_(2)/B_(4)C复相陶瓷烧结质量有重要影响;冲击压力为40 GPa,生坯温度为1800 K时,烧结致密度为93%;为进一步提高烧结质量,应提高冲击压力或冲击波作用时间。研究表明自蔓延热爆炸烧结技术是一种高效且低成本的高硬度复相陶瓷的制备方法。

铝土矿尾矿协同钒钛磁铁矿尾矿制备刚玉质复相陶瓷

以铝土矿尾矿和钒钛磁铁矿尾矿为原料,经混料、成型和高温烧成等工艺制备了刚玉质复相陶瓷,研究了钒钛磁铁矿尾矿添加量、烧成温度等因素对制得复相陶瓷材料的物相、显微形貌及力学性能的影响规律。结果表明:当铝土矿尾矿与钒钛磁铁矿尾矿质量比为9∶1时,在1100℃下保温3 h制得刚玉质复相陶瓷材料的性能最优,其体积密度为2.71 g/cm^(3),抗压强度为276.9 MPa,抗折强度为67.3 MPa。

MgO-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷惰性燃料基质的制备及表征

为了获得致密性高、晶粒尺寸小、两相分布均匀的Mg O-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷惰性燃料基质,首先以Nd(NO3)3·6H_(2)O、C_(12)H_(28)O_(4)Zr为原料,采用sol-gel法合成了有序P型Nd_(2)Zr_(2)O_(7)烧绿石,再和Mg O复合制备了Mg O-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷。利用XRD、SEM-EDS等方法研究了化学组成、烧结时间、烧结温度对复相陶瓷的物相组成、晶粒大小以及致密性的影响。结果表明:采用sol-gel法在1200℃煅烧10 h能够成功合成出结晶良好的Nd_(2)Zr_(2)O_(7)烧绿石。此外,在1500℃烧结24 h,可以制备出致密性高、晶粒分布均匀的Mg O-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷。

莫来石对氧化铝基复相陶瓷抗热震性及显微结构的影响

氧化铝陶瓷是一种应用广泛的工程陶瓷材料,但存在断裂韧性低、抗热震性较差等缺点。为改善氧化铝陶瓷的相关性能,本研究采用无压共烧法制备了氧化铝-莫来石-堇青石复相陶瓷,研究了莫来石添加量对氧化铝基复相陶瓷体积密度、抗热震性、显微结构等方面的影响。结果表明,当添加的莫来石质量分数为20%时,在1500℃保温2 h制备的复相陶瓷具有较高的体积质量(3.838 g/cm^(3))、抗折强度(547.06 MPa)和较好的抗热震性能(800℃剩余应力为47.09 MPa,且表面无裂痕)。由于莫来石在氧化铝基体中起到了桥接、挡裂和拉出等增韧作用,同时可降低复相陶瓷的热膨胀系数,因而赋予复相陶瓷较好的抗热震性能。

复相增强增韧碳化硼陶瓷的研究

碳化硼是一种非常坚硬的材料,硬度可达到5000MPa(即50GPa),在1000℃可以抵抗空气的腐蚀,具有较高的抗酸性和抗碱性,可以用作磨料、切削刀具、耐磨零件喷嘴、轴承、车轴等,利用它导热性好,热膨胀系数低、能吸收热中子的特性,可以制造高温热交换器,核反应堆的控制剂。利用它耐酸碱性好的特性,可以制作化学器皿,熔融金属坩埚等。通过B4C和TiC的化学反应、Si和C的化学反应,在碳化硼基体内原位反应生成TiB2和SiC晶相,生成的TiB2晶粒粒径:0.5~1μm,SiC晶粒粒径: 3μm以下,且两种晶相均匀分布在碳化硼基体中。当加入20wt%TiC粉末和 14wt%Si粉末时,复相碳化硼陶瓷的断裂韧性KIC值达到 6.08 MPa.M1/2,维氏硬度HV值达到32.5Gpa,分别比纯碳化硼性能提高19.8%、10.9%;当加入26wt%TiC粉末和18wt%Si粉末时,则复相碳化硼陶瓷断裂韧性KIC值达到6.48 MPa.M1/2和维氏硬度HV值达到 32.63 Gpa,分别比纯碳化硼性能提高33%、11.4%。在复相陶瓷中B4C、TiB2和SiC这3种晶相热膨胀系数的不匹配产生残余应力,从而产生应力偏转和微裂纹增韧,同时裂纹沿着B4C、TiB2和SiC的晶界扩展,避免出现穿晶出现,是陶瓷增韧增强的主要机理,同时产生的游离碳和游离硅反应生成SiC晶相,能进一步延长裂纹在晶界处扩展速率。

Al_(2)O_(3)-TiC_(p)复相陶瓷激光定向能量沉积直接增材制造

Al_(2)O_(3)-TiC_(p)(AT)复相陶瓷材料以其优异的综合力学性能而被广泛用作金属切削刀具材料。针对AT材料传统烧结方法在能耗及周期方面的局限,本工作利用激光定向能量沉积技术开展了AT复相陶瓷材料直接增材制造的研究,系统探讨了不同TiC_(p)比例对复相陶瓷材料微观结构和力学性能的影响。结果表明TiC_(p)颗粒均匀分布在成型样件的基体中,掺杂TiC_(p)细化了Al_(2)O_(3)晶粒。同时,由于TiC_(p)与Al_(2)O_(3)基体的热膨胀失配引起裂纹出现偏转、贯穿颗粒等现象,消耗了裂纹扩展能量,进而有效抑制了AT材料直接增材过程中的裂纹扩展行为。掺杂TiC_(p)颗粒对熔池形成冲击,在一定程度上加快了气体的逸出速率,进而提高了材料的相对密度。但TiC_(p)含量过高将加剧其与Al_(2)O_(3)基体在高温时的化学反应,生成的气体使复合材料中出现较大气孔并降低了材料部分力学性能。TiC_(p)质量分数为30%的复合材料的相对密度达到96.64%、平均显微硬度达到21.07 GPa和断裂韧性达到4.29 MPa·m^(1/2)。

ZrB_2-SiC-ZrC复相超高温陶瓷相组成的定量分析

以ZrB2-SiC-ZrC复相超高温陶瓷为研究对象,对X射线衍射的K值法、二次电子像结合背散射电子像、电子背散射衍射结合能谱面扫描三种相组成的定量分析方法进行了比较,结果显示K值法使用简单、方便;SEM的两种定量方法不仅可以定量分析相组成,还能反映相分布与相关系。三种定量方法的结果较一致,均显示该复相陶瓷实际相组成远远偏离反应烧结设计相组成,其中,ZrO2杂质相实际含量多于5vol%,ZrC相含量远低于理论值5vol%,K值法显示其含量甚至低于1vol%。相组成的定量分析为进一步开展微结构研究及复合材料设计提供了必要的技术基础。

铁尾矿制备高性能莫来石复相陶瓷的研究

以铁尾矿微粉、铝粉、氧化铝为主要原料,采用固相烧结法制备莫来石复相陶瓷材料。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)、万能试验机、阿基米德排水法等研究了配铝系数(0.90~2.10)、烧结温度(1100~1300℃)两个因素对莫来石复相陶瓷材料的微观组织、抗压强度、气孔率、体积密度的影响。结果表明,所制备的样品均为莫来石-石英复相陶瓷;配铝系数和烧结温度增加均可提高陶瓷材料中莫来石含量,且后者的影响较大;莫来石复相陶瓷试样的最佳制备工艺为烧结温度为1250℃,配铝系数为2.10,此条件下所制得的莫来石复相陶瓷材料的莫来石晶须更长且更完整,气孔率为13.40%,抗压强度为112.12 MPa。

镁质黏土对碳化硅-堇青石复相陶瓷结构及性能影响

采用烧结法制备碳化硅-堇青石复相陶瓷。利用TG-DTA分析仪确定原料组成的热行为和反应机理,XRD确定晶相组成,SEM观察形貌结构,PCY高温卧式膨胀仪测定热膨胀系数。结果表明,800℃制备的添加镁质黏土复相陶瓷的抗折强度从0.84 MPa提高到1.91 MPa,表明加入镁质黏土能够提高复相陶瓷在烧制过程中的强度;在1300℃烧结温度下,添加镁质黏土试样的抗折强度从37.25 MPa提高到40.61 MPa,气孔率从19%降低到16%,体积密度从1.63 g/cm^(3)提高到1.64 g/cm^(3),热膨胀系数从2.958×10^(-6)℃^(-1)降低到2.789×10^(-6)℃^(-1),表明添加镁质黏土对复相陶瓷性能有所改善,堇青石结晶度更高,致密度更好。

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。

聚锆碳烷/聚碳硅烷杂化先驱体转化制备ZrC-SiC复相陶瓷

采用聚锆碳烷PZC和聚碳硅烷PCS作为杂化先驱体聚合物,通过脱氢耦合反应制备富含活性交联位点的ZrC-SiC复相陶瓷先驱体PZCS,研究先驱体陶瓷化机理及最终陶瓷的组成结构。结果表明:PZCS先驱体由于促进了陶瓷化过程中活性基团的交联,850℃下其陶瓷产率(71.84%,质量分数,下同)显著高于PZC(51.40%)或PCS(53.46%)先驱体。同时,在Zr-Cp的催化下,通过先驱体之间的协同作用近程碳与Zr,Si元素直接转化生成碳化物陶瓷,避免了碳热还原反应对陶瓷的损伤,并有效降低了烧结温度。PZCS先驱体经陶瓷化处理后生成兼具耐高温组元和抗氧化组元的ZrC-SiC纳米复相陶瓷,ZrC相和SiC相可以相互抑制结晶、细化晶粒,其中ZrC晶粒尺寸为25.4 nm,纳米复相结构的生成有利于提升超高温陶瓷的综合性能。

一步法制备MgO-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷惰性燃料基材的热物理性能

MgO-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)(M-NZO)复相陶瓷作为一种潜在的惰性燃料基材,可以用于替代(U,Pu)O_(2)混合氧化物燃料中的UO_(2),并将PuO_(2)弥散在其中以制备惰性基材燃料。本文采用一步法在1500℃烧结24 h制备了M-NZO复相陶瓷,在物相组成、微观形貌的分析基础上,系统研究了其热导率和热膨胀系数等热物理性能。结果表明利用一步法制备的M-NZO复相陶瓷仅由MgO和Nd_(2)Zr_(2)O_(7)烧绿石两相组成,两相的平均晶粒尺寸为0.75μm和0.70μm,且制备的复相陶瓷结构致密、孔隙率低。热物理性能测试结果表明一步法制备的M-NZO复相陶瓷在1400℃时的热导率是UO_(2)陶瓷的2.1~3.8倍,且在测试温度范围内,一步法制备的M-NZO复相陶瓷具有更加优异的热导率,在高温下(800℃)比文献中采用两步法制备的M-NZO复相陶瓷高出约2 W·m^(-1)·K^(-1)。热膨胀方面,一步法制备的M-NZO复相陶瓷的热膨胀系数为12.3×10^(-6)~14.1×10^(-6)/K,与两步法制备的M-NZO复相陶瓷热膨胀系数相当。此外,M-NZO复相陶瓷的热导率和热膨胀系数均随MgO含量的增大而变高,结合理论最小热导率计算结果可以得出,最佳的M-NZO复相陶瓷化学组成为0.5M-0.5NZO。以上结果表明,一步法制备的M-NZO复相陶瓷具有优异的热导率和稳定的热膨胀性能,为其在惰性基材燃料中的应用提供了更多的选择和热物理性能基础数据上的支持。

闪烧致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的微观结构及力学性能

以α-Al_(2)O_(3)和氧化钇稳定氧化锆粉体为原料,无压烧结制备致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷,在临界电场下进行热处理后,对Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的微观结构和力学性能进行研究。结果表明:在900 V/cm的电场下,烧结致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的闪烧起始炉温为308℃。在炉温为1200℃、电场为700 V/cm的条件下,闪烧致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷原位合成Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶结构。闪烧陶瓷主要分为复相区、过渡区和共晶区3个区域。复相区的微观结构与烧结陶瓷相似,形状不规则的Al_(2)O_(3)和ZrO_(2)相均匀分布;过渡区晶粒异常长大,粗大的Al_(2)O_(3)和ZrO_(2)相均匀分布;共晶区则呈现典型的Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶结构。共晶区的维氏硬度和韧性分别为17.94 GPa和3.51 MPa·m^(1/2),与采用定向凝固技术制备的Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷的力学性能相当。

闪烧恒流保持时间对MgO-Y_(2)O_(3)复相陶瓷力学性能的影响

随着红外技术的应用和发展,红外窗口材料需要具备更高的性能。MgO-Y_(2)O_(3)复相陶瓷相比单一相Y_(2)O_(3)陶瓷具有更好的力学性能和更高的抗热冲击品质因子,同时兼具良好的光学透过性。但传统的烧结技术均需在高温高压下才能完成,这不利于通过获得细小的晶粒来提高性能。而闪烧具有烧结温度低,烧结速度快,保温时间短等特点,所获得的材料晶粒更加细小,性能更好。将闪烧用于制备MgO-Y_(2)O_(3)复相陶瓷,其性能有望得到进一步提高。实验结果表明:闪烧4到9s后,功率密度维持在700mW/mm3左右;随着恒流保持时间的增加,相对密度、维氏硬度逐渐增加,平均晶粒尺寸先减小后增大,断裂韧性先增加后减小。当恒流保持时间为62s时,相对密度和维氏硬度均达到最大值,分别为94.13%和7.87GPa;当恒流保持时间为25s时,晶粒尺寸达到最小值0.39μm,断裂韧性达到最大值1.99MPa·m1/2。

碳化硅-硼化锆复相陶瓷的增强研究

研究第二相粒子硼化锆及其加入量变化对碳化硅-硼化锆复相陶瓷的强度和韧性的影响,同时探讨其氧化行为。用光学、透射电镜和扫描电镜对复相陶瓷的微观结构、断裂行为进行分析讨论。实验表明,材料性能不仅取决于组成变化而且与工艺条件有关。在适当热压工艺条件下获得的性能表明,复相陶瓷(SiC-15vol.%ZrB_2)的断裂韧性比热压α-SiC要提高50％左右,达到6.5MPa·m^(1/2),弯曲强度仍能达到560MPa。 抗氧化性能与单相热压SiC比较,SiC-15vol.%ZrB_2在1280℃时氧化加速进行,安全使用应低于1150℃。通过压痕裂缝扩展和拋光面上断裂时裂缝行进观察表明,裂缝分支和绕道可能是增韧的主要机制。

Y-TZP/Al_2O_3复相陶瓷的液相烧结及显微结构

通过在Y-TZP／Al2O3复相陶瓷材料中加入一定的添加剂，可以使其在较低的温度下进行液相烧结，使材料的烧结温度大幅度降低．由于液相的存在，氧化锆晶粒较细，而氧化铝晶粒可以借助液相发育成长柱状，这种形状的晶粒有利于陶瓷材料的力学性能，复相材料仍然保持较高的强度和断裂韧性．