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-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。

微波熔盐辅助硼热/碳热还原法制备ZrB_2-SiC复合粉

以ZrO_2、SiO_2、B_4C及活性炭为反应物,以NaCl/KCl为熔盐,采用微波熔盐辅助硼热/碳热还原法制备ZrB_2-SiC复合粉,研究了反应温度、反应时间、B4C及熔盐介质用量等对产物物相组成和显微结构的影响.结果表明:随着反应温度的升高,反应时间的延长,B4C和熔盐用量的增加,ZrB_2和SiC的合成反应进行得越充分,产物中ZrB_2的衍射峰越强;在反应温度为1 200℃,反应时间为20min,熔盐与反应物质量比为2∶1,B_4C与ZrO_2物质的量的比为0.8的条件下,可以制备得到纯相ZrB_2-SiC复合粉,其平均粒径约为38μm,其中ZrB_2为一维棒状结构,直径约为1.35μm,平均长径比大于10.

自蔓延法制备球形ZrB_2-SiC复合等离子喷涂粉末

目的为提高ZrB_2-SiC复合等离子喷涂粉末的致密度。方法采用Zr-B_4C-Si体系,使用自蔓延高温合成(SHS)技术和感应等离子球化(IPS)技术制备了球形ZrB_2-SiC复合粉末,并对其相结构和微观形貌等进行了表征。结果采用SHS技术合成出的多孔ZrB_2-SiC复合陶瓷,其SiC质量分数为12.10%,由等轴颗粒构成,颗粒粒径均<5μm。经IPS处理后,粉末松装密度由1.62 g/cm^3提高到1.88 g/cm^3,其中直径<25μm的粉末为球形或椭球形,直径>25μm的粉末则保留了球化前的不规则形状,但粉末轮廓变得平滑。粉末中SiC质量分数降低为6.64%(体积分数为11.89%),粉末表层SiC质量分数降低为5.63%,部分SiC颗粒重新分布在ZrB_2颗粒的间隙处,并且粉末中出现ZrB_2-SiC的共晶或伪共晶组织。结论使用SHS技术能够制备出两相分布相对均匀、颗粒细小的ZrB_2-SiC复合陶瓷,虽然其含有较多孔洞,但颗粒之间相互接触部位的结合比较紧密。IPS处理后,粒径<25μm的ZrB_2-SiC复合粉末的致密度和球形度获得了显著提高,粉末中SiC在IPS过程中的部分分解导致其含量未能达到最佳范围。

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.

碳热还原法制备超细ZrB_2/SiC复合陶瓷粉

以ZrO_2、硼酸、硅溶胶和炭黑为原料于1300～1700℃用碳热还原法合成了超细ZrB_2/SiC复合陶瓷粉;用XRD和SEM等研究了合成温度、反应物配比等对复合粉体物相组成、微观形貌和粒径的影响。结果表明:当原料中硼酸过量(ZrO_2与B_2O_3物质的量比为1:1.5)才能保证在1650℃下保温1h时碳热还原反应完全进行,得到高纯的ZrB_2/SiC复合陶瓷粉体,其颗粒平均尺寸为0.4μm;不同温度制备的复合粉体颗粒形貌不同,随着温度的升高,晶须和棒状颗粒减少,而球形颗粒增多。

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。

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。

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。

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。

C_f/ZrB_2-SiC复合材料的高温氧化行为及机理

将不同比例的ZrB2和SiC粉体充分混合,并在其中均匀分散短切碳纤维(约2 cm),采用热压烧结工艺制备出具有不同ZrB2/SiC比例的短切碳纤维增强超高温陶瓷基复合材料。SiC可显著促进ZrB2陶瓷的烧结致密化程度,添加了18 vol%SiC的ZrB2在1 850℃下热压烧结,致密度达96%以上。对该复合材料分别在1 000、1 200及1 400℃下进行静态氧化实验。结果表明,试样在氧化过程中其表面生成的硼硅酸盐玻璃和ZrO2、SiC等物质在表面形成一层有效的保护膜,因而能够有效阻止材料的进一步氧化。同时,随氧化温度升高和时间延长,氧化过程中形成的硼硅酸盐玻璃量增加,可更有效的覆盖材料表面,提高材料抗氧化能力。

ZrB_2-SiC复合材料热压烧结工艺的研究

采用热压烧结法制备ZrB2-SiC复合材料。研究了热压烧结温度、保压压力、保温时间对ZrB2-SiC复合材料性能的影响。结果表明:当热压烧结温度为1 750℃,保压压力为30 MPa,保温时间为30 min时,ZrB2-SiC复合材料的力学性能最佳(硬度HRA为89,抗弯强度为670.91 MPa,断裂韧性为7.8 MPa.m1/2)。

超音速等离子喷涂制备ZrB_2-SiC基涂层C/C复合材料的氧化烧蚀性能研究

采用包埋法、超音速等离子喷涂结合化学气相沉积工艺在C/C复合材料表面制备了SiC/ZrB_2-SiC/SiC复合涂层。借助XRD和SEM等测试手段对所制备复合涂层的微观结构进行表征,采用恒温氧化实验及氧乙炔烧蚀实验考察涂层复合材料的高温抗氧化和抗烧蚀性能。结果表明,所制备涂层复合材料在900,1100,1500℃均具有较好的高温抗氧化性能,涂层氧乙炔烧蚀60 s后,质量烧蚀率和线烧蚀率分别为-0.05 mg/s和0.56μm/s。表明所制备的ZrB_2-SiC基复合涂层在为C/C复合材料提供良好的抗烧蚀保护的同时,可对材料提供较宽温度范围的抗氧化保护。

C/C复合材料ZrB_2-SiC基陶瓷涂层制备及烧蚀性能研究

为提高C/C复合材料的抗烧蚀性能,采用两步刷涂-烧结法制备了ZrB2-SiC基陶瓷涂层。首先利用反应烧结制备ZrB2-SiC-ZrC过渡层,并在此基础上制备了ZrB2-20%SiC-5%Si3N4、ZrB2-15%SiC-20%MoSi2、ZrB2-15%SiC-20%TaC 3种外涂层。利用XRD和扫描电镜研究了涂层的相组成和显微形貌,并采用氧乙炔焰烧蚀仪测试了涂层在2 500℃、60 s的抗烧蚀性能,探讨了涂层的高温烧蚀机理。结果表明:利用反应烧结制备的过渡层与基体结合紧密,且与外涂层无明显分层现象,起到了良好的过渡作用;由于Si3N4及MoSi2起到了烧结助剂作用,使ZrB2-20%SiC-5%Si3N4、ZrB2-15%SiC-20%MoSi2外涂层结构较为致密;ZrB2-20%SiC-5%Si3N4、ZrB2-15%SiC-20%MoSi2涂层表现出了较好的抗烧蚀性能,其中ZrB2-20%SiC-5%Si3N4涂层线烧蚀率及质量烧蚀率分别为0.075 mm/s、0.008 1 g/s,ZrB2-15%SiC-20%MoSi2涂层线烧蚀率及质量烧蚀率分别为0.018 mm/s、0.0064 g/s,而ZrB2-15%SiC-20%TaC涂层由于结构较为松散,未能起到有效的氧化防护,导致涂层被烧穿。

ZrB_2-SiC陶瓷复合材料真空钎焊工艺及机理研究

ZrB2-SiC陶瓷复合材料具有密度低、良好的抗氧化抗烧蚀性和很好的高温强度，但加工成形性差，很难直接实现形状复杂构件或者大尺寸构件的制造生产，限制了它的广泛应用。

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。

高温氧化及热震对SiC/ZrB2-SiC/SiC涂层炭/炭复合材料力学行为的影响

为提高炭/炭(C/C)复合材料的高温抗氧化性能,同时分析涂层制备及高温氧化对涂层材料力学行为的影响,在C/C复合材料表面采用反应熔渗、料浆涂刷结合化学气相沉积工艺制备了SiC/ZrB2-SiC/SiC三层高温抗氧化涂层。利用SEM和XRD分析复合涂层的微观结构和相组成,考察涂层复合材料1500℃高温抗氧化和1500℃-室温的抗热震性能,研究高温氧化及热震对涂层C/C复合材料力学行为的影响。结果表明,复合涂层试样1500℃静态空气环境下具有优异的抗氧化及抗热震性能:1500℃氧化20 h后试样保持增重,1500℃至室温热震50次后增重为0.69%。因涂层制备过程中粉料的渗入反应,复合材料弯曲强度增长了7.08%。在经历1500℃氧化20 h和1500℃至室温50次热震后,涂层复合材料弯曲强度有所下降,且因材料界面结合力的减弱使得纤维拔出特征明显,材料塑性断裂特征增强。