ZrB2-SiC陶瓷高温氧化机理及力学性能研究

论文摘要

超高温陶瓷材料（UHTCs）在国防和航天上发挥着越来越重要的作用,它能够胜任于包括高超声速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行、和火箭推进系统等极端环境,因此它的抗氧化性能是其使用时最重要的参考依据,热化学理论作为一种相对成熟的方法,为研究超高温陶瓷的抗氧化性能提供了一条研究途径。本文利用热化学理论系统的研究了超高温陶瓷的高温氧化机理,探讨了超高温陶瓷高温氧化过程中材料微结构的变化趋势;并利用细观力学理论分析了高温氧化特性对材料力学性能的影响。为了研究超高温陶瓷的高温氧化机理,在1800℃时分别对ZrB2+20vol%SiC（ZS1）、ZrB2+30vol%SiC（ZS2）复合材料进行不同氧分压下的高温氧化实验,并且利用热力学计算软件FactSage进行数值模拟,得出了材料的高温氧化机理;探讨了氧化产物含量对表面形态的影响,与氧化后照片吻合;通过对不同SiC含量和氧分压的材料进行计算,发现SiC含量高对提高材料的抗氧化性能有利,但在低氧分压下由于SiO2的挥发使得这种有利因素不明显;根据氧化产物生成时的氧分压不同,得出了氧化层的示意图,分析出SiC耗散层是影响抗氧化性能的薄弱环节,并与材料测试结果进行了比较分析。在反应物与生成物的总质量守恒以及SiC耗尽层内的固体相体积不变基础上,描述了SiC耗尽层内生成物的体积膨胀以及孔洞的演化随温度的变化规律;把生成相与孔洞视为广义夹杂,通过细观力学的理论预报了SiC耗尽层的高温弹性性能的劣化过程,结果表明,衰减主要受相变的控制,初始SiC含量越高,生成的孔洞体积分数越大,SiC耗尽层的弹性性能衰减也越明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 超高温陶瓷材料
• 1.1.2 高温材料抗氧化性的研究现状
• 1.1.3 材料热化学计算研究现状
• 1.2 本文主要研究内容
• 第2章 实验材料和实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 基体材料的选择
• 2.2.2 第二相材料选择
• 2.2.3 材料组分的确定
• 2.2.4 实验试件参数
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 密度测试
• 2.3.2 高温氧化实验
• 2.3.3 微组织观察
• 第3章 热化学氧化产物计算方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 最小自由能原理
• 3.2.1 状态方程
• 3.2.2 最小自由能
• 3.2.3 Gibbs迭代方程
• 3.2.4 Gibbs迭代方程的简化
• 3.2.5 热力学导数
• 3.3 热化学氧化产物计算软件
• 3.4 本章小结
• 2-SiC陶瓷热化学氧化分析'>第4章 ZrB₂-SiC陶瓷热化学氧化分析
• 4.1 引言
• 2-SiC陶瓷的物理性能'>4.2 ZrB₂-SiC陶瓷的物理性能
• 4.2.1 试件的物理参数
• 2的物理性能'>4.2.2 ZrB₂的物理性能
• 4.2.3 SiC的物理性能
• 2-SiC陶瓷高温氧化产物计算'>4.3 ZrB₂-SiC陶瓷高温氧化产物计算
• 2+20vol% SiC高温氧化产物计算'>4.3.1 ZrB₂+20vol% SiC高温氧化产物计算
• 2+30vol% SiC高温氧化产物计算'>4.3.2 ZrB₂+30vol% SiC高温氧化产物计算
• 4.4 热化学计算结果分析高温氧化试件
• 4.4.1 试件氧化后表面形态估计
• 4.4.2 试件抗氧化性能影响因素比较分析
• 4.4.3 材料氧化层结构预测
• 4.5 本章小结
• 2-SiC陶瓷高温力学性能研究'>第5 章 ZrB₂-SiC陶瓷高温力学性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 SiC耗尽层的形成
• 5.2.1 SiC耗尽层的形成过程
• 5.2.2 氧化过程中孔洞的形成与演化
• 5.3 SiC耗尽层的细观力学分析
• 5.4 数值计算与讨论
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢