ZrC-ZrB2陶瓷復合材料

  采用機械合金化-自蔓延高溫合成(MA-SHS)結合放電等離子燒結法制備了ZrC-ZrB2復合陶瓷。先將Zr粉末,B粉末和C粉末按照3∶2∶2~6 : 10 : 1內的不同比例球磨混合﹐然后點燃粉末使其發生自蔓延反應生成ZrB2粉末和ZrC粉末,在1800 ℃ /40 MPa /5 min的條件下燒結。所獲得的ZrB2和ZrC的顆粒尺寸均小于5 um。ZrB2的引入在一定程度上彌補了單一相ZrC陶瓷材料力學性能不足的缺點﹐相對而言,燒結溫度有所降低,抗氧化性能也得到提高。

  研究了采用SPS制備的ZrC,-ZrB。材料的燒結行為。先通過SEM和 TEM 觀察ZrC粉末和ZrB2粉末,發現ZrC粉末中含有自由碳和無定形的SiO2且其尺寸分布不均勻;同時發現ZrB2粉末與ZrC粉末非常相似,都具有寬的尺寸分布范圍。當ZrB2加入量為11%時,燒結而成的復合材料的致密度達到大(98%)。另外,在顯微組織中發現了一些晶內相和晶間相:晶內相主要是沉積于包含SiO2的無定形相中的立方ZrO2或ZrxCyOz的納米晶﹔晶間相主要由石墨組成﹐石墨來源于漩渦狀自由碳的組織演變,即在SPS處理過程中發生了石墨化過程,使 ZrC和ZrB2晶粒間形成了石墨,這個晶間相起到了釘扎作用﹐減慢了晶界的運動。

ZrC-SiC陶瓷復合材料

  SiC陶瓷具有耐高溫﹑抗熱震﹑耐腐蝕﹑低膨脹系數﹑熱傳導性良好及質量輕等特點,是高溫結構用陶瓷的重要候選材料之一。將SiC加入到硼化物陶瓷中,不僅提高了其燒結性﹐還限制了燒結過程中晶粒的異常長大﹐使復相陶瓷的強度和韌性大幅度增加[2728,同時,材料的抗氧化性能也得到明顯提高。基于硼化物取得的這一成果,筆者選用SiC作為ZrC的**相增強材料﹐制備了ZrC-SiC、ZrC-SiC-C和ZrC-SiC-ZrB2二元和三元復合材料﹐發現復合材料中SiC顆粒的加入明顯改善了ZrC的燒結性能﹐提高了材料的強度﹑硬度和斷裂韌性;第三相片層石墨的引入在一定程度上促進了材料的致密化,同時使材料在維持二元基體材料強度水平的情況下,斷裂韌性獲得了一定的提高﹐分析其增韌機制主要是界面分層誘導韌化和弱界面的引入誘導裂紋偏轉橋連。在ZrC-SiC復合材料中加入ZrB2后,基體ZrC的晶粒尺寸呈現減小的傾向﹐材料的強度和硬度得到了明顯提高﹐當ZrB2含量為20%(體積分數)時,強度和硬度分別高達627 MPa和26.4 GPa,但 ZrB2對韌性貢獻較小,當裂紋擴展遇到ZrB2顆粒時﹐部分ZrB2發生了開裂,不能明顯改變裂紋擴展的路徑。

ZrC-Mo陶瓷復合材料

  為了改善和提高陶瓷的韌性,材料工作者們向陶瓷基體內添加各種陶瓷顆粒、纖維及晶須﹐制備出各種陶瓷基復合材料,并且取得了可喜的成果。近年來﹐由于金屬具有比陶瓷材料更好的延性﹐且部分金屬具有較高的熔點﹐因而人們將金屬加入到陶瓷中形成陶瓷復合材料﹐試圖改善材料的燒結性能和韌性。在ZrC中加入金屬Mo，分別采用無壓燒結﹑熱等靜壓燒結和液相燒結方法制備出不同Mo含量的ZrC-Mo復合材料﹐并對材料系統內可能存在的化學反應﹑材料的顯微組織特征、力學性能以及抗熱震性能分別進行了詳細的研究。結果表明,在無碳的He/Hg氣氛下燒結,當燒結溫度為1700~2000 ℃時,材料**的相組成為ZrC、Mo和Mo2C三相;而當燒結溫度升高到2100 ℃時,相組成為ZrC和Mo兩相。這一結果與所報道的相平衡數據是一致的。另外,當Mo 的加入量高于20%(體積分數)時,在 He/H。氣氛下2150 ℃燒結60min,材料的氣孔率小于5%;而在真空條件下2200 ℃燒結60 min,材料的氣孔率僅小于10%。燒結條件不同導致材料致密度的變化主要與高溫下亞穩相Mo2C的生成使材料產生液相燒結有關。力學性能研究表明,ZrC-Mo陶瓷材料的彈性模量隨著Mo含量的增加逐漸降低﹐而強度隨著Mo含量的增加而升高。當采用熱等靜壓燒結時,ZrC-Mo 陶瓷的強度和斷裂韌性分別達到480 MPa和6.6 MPa· m1/2。抗熱震性能研究發現,當Mo加入量為30%(體積分數)時,ZrC-Mo陶瓷的臨界溫差是350 ℃,比純ZrC陶瓷的高120 ℃,分析認為臨界溫差的增加與斷裂韌性的提高有關。

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