ZrB2基陶瓷高温材料.doc

ZrB2基陶瓷高温材料材料要求性质：1）、工作温度T1300oC；2）、强度要求，抗拉强度大于1500MPa，抗压强度大于2500MPa；3）、在工作温度下，具有优秀的抗氧化、抗腐蚀性能；4）、抗热振性及热疲劳性能良好；5）、其脆性低于硬质合金。前言：陶瓷材料是金属和非金属元素间的化合物，最具代表性的陶瓷材料大多是氧化物、氮化物和碳化物，比金属和高分子更耐高温和腐蚀性环境。其中以ZrB2基的陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高导热率、好的抗热震性、中等的热膨胀系数等优良的性能，因此是理想的高温材料。但其高温下抗氧化性较差，相对强度不高，使其使用受到限制。采用SiC作为弥散第二相可以有效的提高其高温力学性能和抗氧化性能。一、材料组元及结构基体相为ZrB2,第二相为SiC。比例为4：1。材料为六方结构，SiC第二相为细晶均匀分布在基体内。二、选材理由1）、ZrB2基体 上图为Zr-B二元相图,从图中可以看出Zr与B能形成多种化合物，有ZrB, ZrB2,ZrB12等，其中以ZrB2最为稳定。ZrB2属六方结构, ZrB2的晶格常数a=0.3169,c=0.3530,B为主族元素，外层电子是2s22p2; Zr为副族元素，外层电子为5s24d2，因ZrB2同时拥有金属键和共价键，故其具有陶瓷和金属的双重性。因此ZrB2陶瓷具有熔点、硬度高，导电导热性好，且抗钢水腐蚀等优点。但是，它在高温时易氧化生成B2O3，因此抗氧化性较差，同时其高温强度有限，这使其的应用受到限制。2）、SiC第二相在ZrB2材料中可引入SiC相以弥补ZrB2高温抗氧化性能不好、强度不高的缺点。、SiC第二相的选择依据：a与基体之间的化学相容性和共存性。第二相SiC与基体ZrB2之间具备良好的相界面结合强度；同时SiC与ZrB2之间具有相对的化学稳定性，相互之间不发生化学反应和互溶现象，由此SiC和ZrB2能保持各自的优势。b与基体之间的物理匹配性与强化性。SiC的弹性模量(343105Pa)与基体ZrB2的(387105Pa)相当，而SiC的热膨胀系数(47l0-6-1)小于ZrB2的热膨胀系数(59l0-6-1)，因此具备良好的物理匹配性，并能增加材料的韧性。cSiC可降低烧结温度下图为ZrB2-SiC系相图，从图中可以看出，当SiC的摩尔分数为23时，SiC和ZrB2形成低共熔点化合物，SiC的加入有利于ZrB2的烧结。、SiC第二相的强化机理：a 热残余应力增强由于SiC的热膨胀系数小于ZrB2的热膨胀系数，因此在制备烧结中将产生残余热应力，对材料有一定的增强作用；b 细晶强化作用SiC作为作为细晶弥散相均匀分布在ZrB2基体中，其对位错的阻碍作用是材料的强度大幅度提高，同时韧性也有所提高。 SiC增强抗氧化性的机理：在有O2的情况下，ZrB2-SiC复合材料体系可能发生的氧化反应有：其中反应在较低的温度下就能反应，而反应SiC的氧化要在较高的温度下进行，而在大于工作温度1300oC的情况下，SiC会反应。SiC增强ZrB2抗氧化能力的原因可能为：在较低温度下，由于ZrB2氧化：生成的B2O3与ZrO2形成了保护膜，阻止了ZrB2的氧化；在1300oC以上，SiC在此温度与氧反应，形成了SiO2玻璃相，具有很强的抗氧化能力，同时和ZrO2保护膜一起阻止氧向材料内扩散，保护材料不致于继续被氧化，从而提高了ZrB2复合材料的抗氧化性。三、制备技术路线1）、ZrB2及SiC粉末的制备ZrB2粉末可用碳化硼还原法制备，将ZrO2，B4C，C粉混合烘干，然后置于电炉中，在惰性气氛下1600oC左右烧成得到ZrB2粉，反应式为：ZrO2+B4C+C ZrB2+COSiC粉末也可用热还原法制备。2）、复合粉末的制备 将ZrB2、SiC按4：1的比例和烧结助剂混合，在球磨罐中湿混，控制一定的球料比。将混合后的物料置于真空干燥箱内干燥，然后将干燥后的粉料研磨过筛即得到复合粉体。3）、ZrB2-SiC复合材料的制备ZrB2-SiC复合材料采用真空高压烧结制备。因为高压烧结可使相烧结温度降低，烧结时间缩短，所得到的烧结制品晶粒细小，致密化程度高，机械、化学性能优异。采用真空气氛烧结可减少烧结体内的气孔。烧结温度为1800，保温时间为1h，烧结