高应变率下ZrB2-SiC陶瓷复合材料压缩力学性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆装置,测试了高应变率下ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩力学性能,应变率范围为900s^-1~3000s^-1。结果表明:ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩强度与临界应变均随应变率的增大而增加,2950s^-1时压缩强度与临界应变比981s^-1时分别增大了88.72%和148.85%;应变率对ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩应力-应变曲线与破坏机理影响显著,应变率为1134s^-1时,ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料破坏模式以裂纹扩展为主,应变率为2861s^-1时,多裂纹扩展为该材料的主要破坏机理;应变率越高,试件的损伤程度越大,压缩试件碎片尺寸越小,压缩应力-应变曲线的非线性越明显。

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.

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。

C/C-SiC复合材料表面ZrB_2基陶瓷涂层的制备及高温烧结机理

采用刷涂-烧结法,分别在C/C-SiC复合材料和C/C复合材料表面制备了ZrB2基陶瓷复合涂层。利用EDS,SEM分析陶瓷涂层的成分及微观形貌,通过对比C/C-SiC基体和C/C基体的表面涂层,对C/C-SiC基体表面涂层的高温烧结机理进行了探究。结果表明:高温下C/C-SiC基体中的硅组元会溢出,造成样品质量损失;同时,溢出的硅组元能渗入到陶瓷涂层中,形成了以硅为主要黏结相,ZrB2等陶瓷相弥散分布的陶瓷涂层;与C/C基体相比,硅组元的溢出能有效促进涂层与基体之间的界面结合。在对基体进行预处理的基础上,采用低温真空脱胶,高温常压烧结,能够制备出结构致密、无裂纹并与基体结合牢固的ZrB2基陶瓷涂层。

碳纳米管-ZrB_2-SiC陶瓷基复合材料的制备与性能研究

研究了用热压烧结方法制备的不同碳纳米管(CNTs)含量的ZrB_2-SiC-xwt%CNTs(x=0、1.0、2.5、4.0)复合材料的工艺条件、力学性能和微观结构.用TEM观察了试样的微观结构,用SEM观察了试样断口形貌和裂纹扩展情况,并对其强韧化机制进行了分析.研究表明,碳纳米管主要分布沉积在ZrB_2颗粒内部,形成内晶型结构,在CNTs含量为2.5%时,相对密度、维氏硬度和弯曲强度分别为99.6%、21.7GPa和542MPa,断裂韧性达到6.10MPa·m^(1/2).碳纳米管加入后材料致密性提高、晶粒细化,所形成的内晶型结构是材料强度和韧性得以提高的原因.

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。

碳/碳复合材料表面MoSi_2-SiC复相陶瓷涂层及其抗氧化机制

对ＭｏＳｉ２－ＳｉＣ复相陶瓷涂层的显微形貌、相组成及成分进行了观察与分析，考察并研究了有涂层的碳／碳复合材料在１６５０℃以下温度的等温氧化性能，以及涂层的结构与组成对抗氧化性能的影响，阐明了涂层的抗氧化过程及机理，并进一步提出了合理的涂层结构．结果表明。

双相颗粒混合增韧ZrB_2陶瓷复合材料的研究

将增韧相与ZrB2陶瓷基体按配比混料、热压,制备了双相颗粒混合增韧ZrB2陶瓷复合材料,研究了其密度、硬度、力学性能、耐烧蚀性能以及显微组织.结果表明,采用混料热压法能制备99.5%理论密度的ZrB2复合材料;显微硬度为800HV,室温抗压强度为1.397GPa,相对压缩率为21.8%.随着温度升高,强度和压缩率均急剧下降;然而,到1100℃时抗压强度仍高达649MPa,相对压缩率为7.6%.该复合材料在等离子电弧加热器上烧蚀6s后,试样表面温升达2800℃,烧蚀后晶粒长大,部分韧化相熔化飞出,留下孔洞.在氧乙炔焰上烧蚀30s后,试样表面温升达到2000℃,烧蚀后表面无裂纹,表面形成一层氧化膜,晶粒略有长大.

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。

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。

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。

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。

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。

热处理温度对Al_2O_3-SiC-Al复合材料性能和结构的影响

利用金属Al在高温下转化成Al和Al2O3的三维骨架来结合Al2O3-SiC复合材料,并借助XRD、EPMA等方法对Al2O3-SiC-Al复合材料性能和显微结构进行了研究。结果表明:(1)试样在空气中进行热处理,试样的强度随着热处理温度的升高逐渐增强,Al的含量逐渐降低,但1600℃热处理后试样仍有少量Al存在。(2)试样的结合方式随着热处理温度的升高而发生改变,当温度低于500℃时,为结合剂的物理结合;试样中金属Al熔化但未发生大规模氧化时,其结合主要为金属结合和少量的陶瓷结合;随着热处理温度的升高,陶瓷结合比例逐渐增大,试样的强度迅速增大,并在1100℃几乎完全转化为Al2O3陶瓷结合,试样的强度达到最大;但热处理温度为1600℃,界面反应强烈,试样的强度下降。

ZrB_2/B_4C陶瓷复合材料的计算机物相分析

通过X射线衍射分析,并结合使用Powder4和Material Studio中的Powder Index程序模块计算了原位烧结ZrB2／B4C陶瓷复合材料中ZrB2的晶体结构。确定了原位反应生成的发生了晶格畸变以后的ZrB2属P6／mmm空间群,然后通过多次里德瓦尔(Rietveld)精修得到的ZrB2晶格常数,最后得到原位生成的ZrB2晶体的原子位置。结果表明ZrB2原子占位为B:-0.33023 0.32535-0.48309 0.00000;Zr-1.00091 -0.00076 0.00035 0.00000,并且晶格常数中a值发生了-0.03％,b值发生了0.2％,c值发生了0.1％晶格畸变。