层状（ZrB2-SiC）/BN超高温陶瓷性能研究

论文摘要

从20世纪末开始,世界各国都将超高温陶瓷尤其是ZrB2基超高温陶瓷作为研究的重点,但其韧性一直是制约其广泛应用的短板。为提高其韧性,本课题采用层状的结构设计,以ZrB2粉,SiC粉和h-BN粉等为原料,采用热压烧结工艺（1950℃、30MPa、60min）成功制备出以ZrB2-SiC为基体层,BN为弱界面层的仿生层状（ZrB2-SiC）/BN超高温陶瓷,并采用XRD、SEM、三点弯曲试验等分析测试方法,系统研究了该材料的组织结构、力学性能、抗热震性能和抗氧化性能等。层状（ZrB2-SiC）/BN超高温陶瓷的基体层与界面层的厚度分别为270μm和22μm左右,厚度均匀,界面平直,成分精确控制为ZrB2-19vol%SiC-7.5vol%BN;其体积密度4.89g/cm3,相对密度92.96%;力学性能具有方向性,在垂直和平行层面方向,维氏硬度分别为18.87GPa和14.02GPa,洛氏硬度HRA分别达到82.88和78.83,弯曲强度分别达到427MPa和325MPa,断裂韧性分别达到15.5MPa.m1/2（约3倍于ZrB2-SiC 陶瓷的 4.8MPa·m1/2）和 4.5MPa·m1/2。虽然层状（ZrB2-SiC）/BN 超高温陶瓷的硬度和弯曲强度有所降低,但断裂韧性显著提高。增韧机制主要是弱界面层使裂纹尖端的应力松弛,削弱了裂纹扩展驱动力;裂纹频繁的分叉、偏转,大大增加了裂纹的扩展路径,成倍增加了断裂功。热震试验表明,随着热震温差ΔT的增大,层状（ZrB2-SiC）/BN超高温陶瓷的残余弯曲强度降低,临界热震温差ΔTc为364℃,热震机理分析表明层状（ZrB2-SiC）/BN陶瓷临界热温差有所降低,但抗热震损伤能力显著提高。氧化试验表明,氧化层厚度和单位面积氧化增重正相关于氧化温度和氧化时间:1500℃氧化时,层状（ZrB2-SiC）/BN陶瓷与ZrB2-SiC陶瓷氧化增重曲线非常一致,长时间（10h）氧化后,层状陶瓷弯曲强度达到613MPa,较常温下强度提高了 43.6%;表层和靠近BN层的基体层氧化较重,氧化层分为三层,即硼硅酸盐玻璃相、玻璃相与氧化锆共存区、碳化硅耗尽层。氧化机制分析表明,高温氧化初期,氧化主要是由界面反应控制,当玻璃相达到一定厚度后,转为扩散与界面反应共同控制,此时,SiC氧化所需的氧分压比BN更低,表现为基体层较界面层氧化严重。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.2 超高温材料与超高温陶瓷的研究现状
• 1.2.1 超高温材料概述
• 1.2.2 超高温陶瓷概述
• 2-SiC超高温陶瓷的研究现状'>1.3 ZrB₂-SiC超高温陶瓷的研究现状
• 2-SiC超高温陶瓷制备工艺的研究'>1.3.1 ZrB₂-SiC超高温陶瓷制备工艺的研究
• 2-SiC超高温陶瓷性能研究与优化'>1.3.2 ZrB₂-SiC超高温陶瓷性能研究与优化
• 1.3.3 材料结构与行为的数值模拟
• 2-SiC超高温陶瓷的研究现状'>1.4 层状ZrB₂-SiC超高温陶瓷的研究现状
• 1.4.1 层状陶瓷的优势
• 2-SiC超高温陶瓷的制备工艺'>1.4.2 层状ZrB₂-SiC超高温陶瓷的制备工艺
• 2-SiC超高温陶瓷的性能研究'>1.4.3 层状ZrB₂-SiC超高温陶瓷的性能研究
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷原料基本性质'>1.5 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷原料基本性质
• 1.5.1 硼化锆的基本性质
• 1.5.2 碳化硅的基本性质
• 1.5.3 六方氮化硼的基本性质
• 1.6 本课题的目的、主要研究内容和创新点
• 第2章 试验材料与试验方法
• 2.1 试验原料与设备
• 2.1.1 试验原料
• 2.1.2 试验设备
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷的制备'>2.2 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷的制备
• 2.2.1 料浆的制备
• 2.2.2 流延片的制备
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷的成型与烧结'>2.2.3 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷的成型与烧结
• 2.3 材料组织结构分析方法
• 2.3.1 密度的测试
• 2.3.2 XRD物相分析
• 2.3.3 微观结构观察
• 2.4 材料力学性能测试方法
• 2.4.1 硬度的测试
• 2.4.2 弯曲强度的测试
• 2.4.3 断裂韧性的测试
• 2.5 热震试验
• 2.6 氧化试验
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷组织结构与力学性能'>第3章 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷组织结构与力学性能
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷组织结构分析'>3.1 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷组织结构分析
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷层厚度分析'>3.1.1 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷层厚度分析
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷显微结构分析'>3.1.2 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷显微结构分析
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷密度与致密性分析'>3.1.3 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷密度与致密性分析
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷力学性能研究'>3.2 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷力学性能研究
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷硬度分析'>3.2.1 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷硬度分析
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷弯曲强度与断裂韧性分析'>3.2.2 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷弯曲强度与断裂韧性分析
• 3.3 层状结构对力学性能的影响
• 3.4 小结
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷抗热震性能研究'>第4章 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷抗热震性能研究
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷线膨胀系数'>4.1 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷线膨胀系数
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷热震残余强度'>4.2 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷热震残余强度
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷抗热震机理'>4.3 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷抗热震机理
• 4.4 小结
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷抗氧化性能研究'>第5章 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷抗氧化性能研究
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷氧化层的物相与形貌分析'>5.1 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷氧化层的物相与形貌分析
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷氧化增重分析'>5.2 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷氧化增重分析
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷强度的影响'>5.3 氧化对层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷强度的影响
• 2-SiC）/BN超高温陶瓷的氧化机理初步分析'>5.4 层状（ZrB₂-SiC）/BN超高温陶瓷的氧化机理初步分析
• 5.5 小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 致谢