ZrC纳米粉体改性C/C-SiC复合材料的微观结构和烧蚀性能

为改善C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能,以ZrC纳米粉体和Si粉为反应渗料,采用反应熔渗(reactive melt infiltration,RMI)法制备ZrC纳米粉体改性C/C-SiC复合材料。采用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱仪等研究ZrC纳米粉体含量对C/C-SiC复合材料微观结构和烧蚀性能的影响。结果表明:随ZrC纳米粉体含量增加,复合材料的孔隙率增大,而密度变化不大。ZrC纳米粉体一部分弥散分布在SiC基体中,一部分则发生了团聚。烧蚀30 s后,ZrC纳米粉体摩尔分数为6%时,复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率最低,分别为2.0 mg/s和3.9μm/s。随ZrC纳米粉体含量增加,烧蚀过程中形成的ZrO_(2)含量增多,对SiO_(2)的钉扎作用明显增强,能有效提升C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。

SiC-ZrC复合超细粉末的合成及抗氧化性能研究

以二氧化锆、硅溶胶、炭黑作为前驱体原料,采用碳热还原法来制备SiC-ZrC复合粉末。研究了反应温度对SiC-ZrC复合粉末的烧失率、物相组成与显微结构的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、综合热分析仪(TG-DTA)等手段对粉末样品进行测试分析。结果表明:在合成温度达到1500℃以上时,采用碳热还原法可成功合成SiC-ZrC复合粉末。在1550℃~1600℃下合成的产物中主要存在SiC和ZrC的特征衍射峰,合成产物结晶度好,这表明该条件下的合成反应进行比较完全。与1550℃相比,在1600℃温度下的合成产物中存在一定量的晶须,且存在有近似球状和短棒状及絮状颗粒,形成多样化显微结构。

液相先驱体转化法制备ZrC粉末及合成机理

以氯氧化锆、丙醇、丙三醇和乙酰丙酮等为基本原料合成了锆的有机先驱体溶液,采用液相先驱体转化法在1 500℃制备了ZrC粉末。运用FTIR对锆的先驱体溶液的组成、结构以及形成机理进行了分析,用XRD和EDS分析了粉末的形成机理,用SEM观察了粉末的形貌。结果表明,有机锆的先驱体溶液具有螯和的链状或网状结构;先驱体溶液干燥后的粉末呈蜂窝状结构,在不同热处理温度下获得面心立方的ZrC粉末。经过热力学计算结果表明,C还原锆的氧化物开始生成ZrC的最低温度为1594℃,实验温度低于理论温度,在1500℃时获得面心立方的ZrC材料。

高频热等离子体合成超细ZrB_2和ZrC粉体材料

采用高频热等离子体工艺合成ZrB2和ZrC高温超细粉体材料,在热力学计算的基础上,采用XRD、FESEM、霍尔流量计表征产品的纯度、尺寸。结果显示,产品结晶较好纯度较高,平均粒径小于100 nm,松装密度分别为ZrB2 0.71 g/mL,ZrC 0.46 g/mL,实验室产量可以达到500 g/h。

熔盐法低温合成ZrB_2-ZrC-SiC复合粉体的研究

以ZrSiO4、Na2B4O7、Mg粉及C粉为原料,MgCl2为熔盐介质,采用熔盐法制备了ZrB2-ZrC-SiC复合粉体,研究了熔盐温度（9001200℃）、原料配比对熔盐法合成ZrB2-ZrC-SiC复合粉体的物相组成及含量的影响。结果表明:当MgCl2∶反应物=4∶1（wt%）,ZrSiO4∶Na2B4O7∶Mg∶C=2∶1∶18.2∶2（mol%）时,经1150℃反应3h所制备的复合粉体中ZrB2-ZrC-SiC的相对含量最高,约为78wt%。

Si/Zr质量比对SiC/ZrC涂层微观结构及其抗氧化性能的影响

采用反应熔体浸渗工艺在C/C复合材料表面制备了SiC和SiC/ZrC抗氧化涂层,并利用XRD、SEM和EDS等分析手段研究了浸渗粉料中Si/Zr质量比对抗氧化涂层的相组成和微观结构的影响,考察了SiC和SiC/ZrC涂层在1 400℃静态空气气氛中的抗氧化性能,初步探讨了SiC/ZrC涂层的抗氧化机制。研究结果表明,随着浸渗粉料中Si/Zr质量比由4.5∶1.5降至2∶4,制得的SiC/ZrC涂层表面涂层致密性呈现先增后降的趋势,而涂层厚度则逐渐减小。当Si/Zr质量比为3∶3时,制得SiC/ZrC涂层C/C复合材料表现出优良的抗氧化性能,在空气气氛中1 400℃氧化6h后增重0.5%左右,而SiC涂层C/C复合材料在相同条件下氧化5h后失重率达到26.71%。SiC/ZrC涂层优异的抗氧化性能与其表面形成的一层致密、连续的ZrSiO4-SiO2-ZrO2玻璃膜有关。

粉末熔渗制备C/C-ZrC-Cu复合材料的组织结构

以Cu-Zr混合粉末为熔渗剂,密度为1.4 g/cm3的多孔C/C复合材料为坯体,采用反应熔渗法制备C/C-ZrC-Cu复合材料,研究了复合材料的组织结构及物相组成,并对复合材料组织结构的形成机理进行了分析。结果表明:熔渗剂中Zr含量不同时,制备的复合材料均主要由C,ZrC和Cu相组成。随熔渗剂中Zr含量由50%增加到70%(质量分数),制备的复合材料中Cu含量逐渐降低,熔渗剂中Zr含量为60%时复合材料中ZrC含量最高(43.2%)。C/C复合坯体内的孔隙被反应生成的ZrC相及残余Cu相充分填充,炭纤维周围存在一层较致密的ZrC层,在远离炭纤维处,ZrC颗粒与Cu相呈混合分布状态。ZrC与C和Cu均有良好的界面结合状态,在ZrC颗粒长大和粗化过程中,形成了部分含内嵌Cu晶粒的较大ZrC颗粒。

混合盐辅助燃烧合成纳米ZrC粉体及影响机制

采用新型的盐助燃烧合成工艺,在ZrO_(2)-Mg-C体系中,加入NaCl-KCl混合盐作为稀释剂,宏量制备出纯相的纳米级ZrC粉体,中位径D 50=46 nm。通过计算该体系下的自由能和绝热温度,结合热力学和动力学分析,探究NaCl-KCl的加入量对ZrC粉体的纯度和粒度的影响规律及其作用机制。结果表明,当稀释剂含量w在0~30%(质量分数,下同)范围内,稀释剂NaCl-KCl的加入有利于获得纯相的ZrC,但在颗粒表面会吸附少量的游离碳,产物ZrC的纯度在90%以上。当NaCl-KCl的加入量为30%时,ZrC的纯度为97.26%。另外,随着NaCl-KCl含量的增加,ZrC颗粒的平均粒径从476 nm降至46 nm。其中较小的颗粒尺寸更容易被氧化,在颗粒表面形成2.9 nm的Zr(C_(x)O_(y))壳层。NaCl-KCl的作用机理主要是相变吸热和加速形核,通过相变吸热降低绝热温度和体系的冷却速率,增加过冷度,从而增加了晶体的形核速率。另外,熔融盐提供液相环境加速物质传输,有利于生成纯相ZrC。

液相先驱体转化结合溶胶凝胶法合成ZrC-SiC纳米复合粉体

以八水合氧氯化锆为锆源、正硅酸乙酯为硅源、蔗糖为碳源,采用液相先驱体转化结合溶胶凝胶法合成ZrCSiC纳米复合粉体。借助傅立叶红外光谱仪分析了有机锆先驱体的官能团,借助X射线衍射仪和扫描电子显微镜研究了Si/Zr摩尔比对复合粉体物相组成与显微形貌的影响。研究表明:有机锆先驱体具有链状或网状结构;1450℃烧成并保温2h,Si/Zr摩尔比0.28时复合粉体中仍存在未反应的m-ZrO_2相,Si/Zr摩尔比增加至1.11、2.56、5.88、23.17时均合成了纯相ZrC-SiC纳米复合粉体;随着Si/Zr摩尔比的增加,复合粉体粒径变化不大;Si/Zr摩尔比为2.56时平均粒径仅90nm,且元素分布均匀。

TiC/ZrC添加量对TiC基钢结硬质合金组织与性能的影响

以TiC、ZrC为硬质相,加入Mo、Ni、C等元素,采用粉末冶金的方法制备了复合TiC-ZrC钢结硬质合金,研究了不同TiC/ZrC质量比对TiC基钢结硬质合金组织与性能的影响。采用扫描电镜对硬质合金试样组织进行了分析,并采用维氏硬度计、万能电子试验机等分别对试样的硬度、抗弯强度等力学性能进行了检测。结果表明:当TiC/ZrC质量比为4/1时,TiC颗粒上出现较多(Ti, Mo, Zr)C壳相,随着TiC/ZrC质量比降低,(Ti, Mo, Zr)C壳相数量减少。当TiC/ZrC质量比为4/1时,合金中的TiC颗粒细小,分布均匀,力学性能最佳,硬度、抗弯强度分别为847.2 HV10、444.5 MPa。随TiC/ZrC质量比降低,合金中ZrC晶粒发生聚集,致使合金力学性能下降。

非均相沉淀-煅烧法制备La_2O_3包覆ZrC纳米复合粉末

以La(NO3)3.6H2O、氨水和ZrC为原料,采用非均相沉淀-煅烧法制备La2O3包覆ZrC复合粉末。采用XRD、SEM、EDS等检测方法,对包覆前驱体粉末和La2O3/ZrC复合粉末的成分、结构和组织均匀性进行表征。结果表明:前驱体粉末在750℃下煅烧2 h后,全部转化为La2O3,粉末为近球形,未发生长大;La2O3/ZrC复合粉末的粒径为60～80 nm;包覆后粉末的Zeta电位由48.28 mV变为5.376 mV,ZrC被连续且均匀的La2O3纳米级壳体层包覆。

球磨时间对ZrC-FeCrAl粉末特性及合金力学性能的影响

为进一步提高FeCrAl合金的力学性能,采用机械球磨和放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)技术制备了纳米ZrC颗粒弥散强化FeCrAl(ZrC-FeCrAl)合金,通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、透射电子显微镜(transmission electron microscope,TEM)、氧含量分析、粒度分析、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)分析、硬度测试、拉伸性能测试等方法,研究了球磨时间对粉末特性及合金力学性能的影响。结果表明,延长球磨时间有利于粉末颗粒细化,但氧含量过高会导致烧结材料力学性能恶化。当球磨时间为30 h时,粉末平均粒径为72.88μm,氧含量最低,为0.14%(质量分数);球磨30 h的ZrC-FeCrAl合金具有较好的力学性能,其放电等离子烧结样品的极限抗拉强度、延伸率和维氏硬度分别为1046 MPa、12.1%和HV 349.9。结果证实,添加纳米ZrC可以有效强化FeCrAl合金,为其在耐事故燃料包壳材料中的应用提供了数据支撑。

Preparation of Nano-sized Zirconium Carbide Powders through a Novel Active Dilution Self-propagating High Temperature Synthesis Method

High quality nano-sized zirconium carbide （ZrC） powders were successfully fabricated via a developed chemical active dilution self-propagating high-temperature synthesis （SHS） method assisted by ball milling pretreatment process using traditional cheap zirconium dioxide powder （ZrO2）, magnesium powder （Mg） and sucrose （C12H22Oll） as raw materials. FSEM, TEM, HRTEM, SAED, XRD, FTIR and Raman, ICP- AES, laser particle size analyzer, oxygen and nitrogen analyzer, carbon/sulfur determinator and TG-DSC were employed for the characterization of the morphology, structure, chemical composition and thermal stability of the as-synthesized ZrC samples. The as-synthesized samples demonstrated high purity, low oxygen content and evenly distributed ZrC nano-powders with an average particle size of 50nm. In addition, the effects of endothermic rate and the possible chemical reaction mechanism were also discussed.

ZrB_(2)与ZrC单相粉末及ZrB_(2)-ZrC复合粉末制备现状

随着科学技术的飞速发展及日益增长的技术需求,不仅能够承受高温同时可以在高温下依然保持高强度、高抗氧化性等优异性能的超高温陶瓷材料成为主要研究趋势。ZrB_(2)和ZrC由于具有高熔点、良好的导电导热性、低密度、较低的热膨胀系数等,同时在高温下具有高强度和良好的抗氧化性等优点,成为非常有潜力的超高温结构陶瓷材料。目前ZrB_(2)、ZrC单相粉末已经很难满足航空航天领域中极端条件的要求,因此ZrB_(2)-ZrC复合粉末的制备研究受到广泛关注。本文对ZrB_(2)、ZrC单相粉末及ZrB2-ZrC复合粉末的合成原理及制备方法进行了综述,分析了目前ZrB_(2)、ZrC单相粉末及ZrB_(2)-ZrC复合粉末制备研究中存在的局限,对其未来研究方向进行了展望。

添加ZrC纳米粉对放电等离子体烧结TiCN基金属陶瓷微观结构和力学性能的影响

通过放电等离子烧结技术,在1350℃下烧结制备TiCN-10WC-10Ni-14Mo-1VC并外加纳米ZrC粉的金属陶瓷,研究了ZrC纳米粉添加量(0~20%,质量分数)对TiCN金属陶瓷微观结构和力学性能的影响。X射线衍射分析表明,添加的ZrC纳米粉主要形成合金相、少量形成氧化物,没有探测到独立的Zr C晶体衍射峰。但是,扫描电镜却没有观察到热压烧结TiCN金属陶瓷类似的典型芯-环结构,这可能是由于放电等离子体烧结速度快、时间短;扫描电镜只能观察到一些白色或灰色的晶粒。当ZrC纳米粉添加量为2.5%时,所得TiCN金属陶瓷呈现出较高的硬度HV10、抗弯强度和断裂韧性,分别约为18800 MPa、810 MPa和4.4 MPa·m^(1/2)。

ZrC-Cu-C/C复合材料的烧蚀性能及烧蚀机制

为了提高炭/炭(C/C)复合材料的耐烧蚀性能,以孔隙率为38%的C/C复合材料为坯体,Zr-Cu混合粉末为熔渗剂,采用反应熔渗法制备了ZrC-Cu-C/C复合材料。通过氧-乙炔焰烧蚀实验,研究了熔渗剂成分对复合材料高温耐烧蚀性能的影响。利用XRD、SEM和EDS对烧蚀前后ZrC-Cu-C/C复合材料的相组成和微观结构进行了分析。结果表明:ZrC-Cu-C/C复合材料烧蚀前主要存在C、ZrC和Cu相,有微量Zr残余;烧蚀20s后表面主要存在炭基体、ZrO_2、CuO、Cu_2O及残余的ZrC和Cu。随熔渗剂中Zr含量增加,复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率均呈现先减小后增大的趋势,以60%Zr-Cu(质量分数)为熔渗剂制备的ZrC-Cu-C/C复合材料的抗烧蚀性能最佳,其线烧蚀率和质量烧蚀率分别为0.0018mm·s^(-1)和0.0013g·s^(-1)。ZrC-Cu-C/C复合材料的烧蚀机制为以C的升华、ZrO_2的熔化及Cu的蒸发和汽化为主的热物理烧蚀、ZrC和C氧化的热化学烧蚀以及高压热流冲刷引起的机械剥蚀的综合作用。