ZrB2SiCAIN陶瓷基复合材料的组织及性能（稀有金属材料与工程论文）

ZrB2SiCAINZrB2SiCAIN陶瓷基复合材料的组织及性能 稀有金属材料陶瓷基复合材料的组织及性能 稀有金属材料 与工程论文 与工程论文 第36卷增刊2xx年8月稀有金属材料与工程RARE MEL MATERIALSAND ENGINEER1N GVo1 36 Supp1 2AugustxxZrB2 SiC AIN陶瓷基复合材料的组 织及性能韩文波 孟松鹤 韩杰才 哈尔滨工业大学复合材料与结构 研究所 黑龙江哈尔滨150001 摘要选用A1N作烧结助剂 采用热压 烧结技术制备了ZrB2 20 SiC r A1N陶瓷基复合材料 利用SEM等手段对其组织进行了分析 并对其力学性能和高温烧蚀性 能进行了分析测试 关键词陶瓷基复合材料 烧结助剂 力学性能 烧蚀性能中图法分 类号TB333A1002 185X xx 2 001 041引言耐高温 抗烧蚀的硼化物陶瓷基复合材料在航天领域具有重 要的应用价值 成为能在工作温度2000 以上的候选材料 这 些材料具有优异的物理性能 包括罕见的高熔点 高的热导率 高 的弹性模量 并能在高温下保持很高的强度 同时还具有良好的抗 热震性和适中的热膨胀率 1 成为飞行器鼻锥 机翼前缘 发动机 热端等各种关键部位或部件最有前途的超高温候选材料 因而受到 国内外学者的极大关注和推动 然而 这些超高温材料的热稳定性和化学稳定性对其极端应用环境 形成了诸多挑战 突破传统材料的制备工艺过程 组织演化特性和 性能评价等方面的研究成为揭示超高温材料本质特征和高温反应极 端环境的相互作用机理的内在要求 由于ZrB2陶瓷基复合材料具有较强的共价键结合 使其烧结十分困 难 也很难致密化 其共价键特性决定了必须在高的烧结温度和的压力下才能获得高致 密度的材料 然而高温烧结会导致晶粒的异常长大 引起内应力及微裂纹 对材 料的机械性能带来不利影响 为了降低烧结温度和压力同时获得致密度 研究学者采用添加烧结 助剂的方法来提高材料的烧结性能 使之在较低的温度和压力下获 得致密的材料 其中选择固相烧结助剂的加入方法可以提高反应物的表面能 降低 生成物的晶界能 以达到促进烧结的目的 Prochazka认为 烧结的难易与晶界能 和表面能 之间比例大小 有关 当rG 3时 能促进材料的烧结 研究人员发现 通过添加具有相近的晶格常数 相同结构的烧结助 剂 二者相互反应可生成固溶体 从而降低生成物的晶界能 另外一种方法就是通过添加界面之间化学相容性高的材料来降低生 成物的界面能 根据有关文献 在烧结ZrB2时 添加适量的ZrC可以在不降低其机械 性能的前提下 显著提高它的烧结性能 促进致密化 硼化物和碳化物的混合物颗粒的反常长大将会得到抑制 因为ZrB2 的 0001 面和ZrC的f110 面有很好的化学相容性 这会在很大程度上 增加它们的烧结性能和提高它们的机械性能 对于烧结的粉末颗粒 其细小表面很容易被氧化 导致了表面能的 降低 不易于烧结 A1N和S N认为是最有效的烧结助剂 能够耗去颗粒表面的因氧化而形成的污 染物 同时还会改善材料的机械性能 11 12 本研究选用A1N作烧结助剂 采用热压烧结技术制备了ZrB2 20 SiC A1N ZSA 体积分数 下同 陶瓷基复合材料 为了便于与ZrB2 e SiC ZS 材料比较 根据A1N烧结助剂的不同含 量 分别制备了ZSA1和ZSA2材料 利用SEM XRD等测试手段对ZSA材料的组织进行了分析 并对其力学 性能和高温烧蚀性能进行了分析测试 2ZrB2基超高温陶瓷的微观组织2 1ZrB2 SiC AIN陶瓷复合材料的 烧结特征图1给出了ZrB2基超高温复合陶瓷在不同烧结工艺下的烧结 动力学曲线 由图可见 随着温度的升高 致密化进程明显加快 至1900 时 3 0min内试样的相对密度己达95 以上 由烧结温度1850 的致密化曲线斜率绘出的致密化速率随时间的变 化关系如图2 在整个烧结过程xx 02 28基金项目黑龙江省博士后 基金 AUGA41000551 国家自然科学基金重点 90505015 资助作者简介韩文波 男 1972年生 博士 哈尔滨工 业大学复合材料与结构研究所 黑龙江哈尔滨150001 电话0451 8 6402382稀有金属材料与工程第36卷中 致密化速率先升后降 最后 趋于零 显然 随着温度的升高 最大速率点向更短时间处偏移 Time t nf in图l不同烧结温度下的烧结动力学曲线Fig 1The curveof sintering dynamics atdi ferenttemperatures勺 晶 口凸Time t min图2致密化速率随时 问的关系曲线Fig 2The relationshipbetween densityrate andtime2 2烧结温度与载荷通过上述分析可知 ZrB2基超高温复合 陶瓷比较合适的真空热压烧结温度为1800 1900 此时ZrB2基超 高温陶瓷的平均晶粒尺寸为6 8肛m 相对密度可达98 通过实验得到的比较合理的烧结过程温度和载 荷曲线见图3 在设定的烧结温度保温过程结束后要控制冷却速度 缓慢地冷却到1 600 C 然后随炉冷却 以降低冷却过程中烧结体内部的残余应力 p暑矗g Time t s gi击图3烧结过程温度和载荷曲线Fig 3Temperature andload curvesduring hot press sintering2 3ZrB2基陶瓷材料的微观组织为了提高ZrB2的致密度 且不降低材料的高温强度 本研究采用A1N做烧结助剂 来消耗烧结 粉体表面的氧化物而提高其致密度 它通过下列反应式发挥作用AIN B2O3 BN AI203 1 可见 在烧结过程中 ZrB2表面的氧化物B203将被消耗掉 从而 提高了颗粒的表面能 有助于烧结和致密化 ZSA与ZS在形貌上没有什么差别 虽然添加了 AIN材料 但从微 观结构上看 除了基体ZrB2和SiC相 没有发现明显的第三相 如图 4所示 图4ZS ZSAI和ZSA2超高温陶瓷的微观组织Fig 4Microstructum ofZS ZSA1and ZSA2 a ZS b ZSA1 c ZSA23ZrB2基陶瓷复合材料的力学性能ZrB 2基陶瓷复合材料的力学性能 如断裂韧性KI 弯曲强度和相对密 度Ld 的一些实验数据如表1所示 表1热压烧结材料的力学性能数据table1data ofmechanical properties ofhot pressed sinteringmaterials 茸g q增刊2韩文波等zrb2 sic a1n陶薹畲筐3 1断裂韧性图5给出了zs zsa1和zsa2超高温陶瓷材 料的断裂韧性的变化规律 由图中可以看出 与ZS相比 含有AIN烧结助剂的ZSA复合材料的断 裂韧性明显高于ZS材料 但ZSA1和ZSA2的最高断裂韧性值差别并不 十分明显 ZSA的致密度提高 改善了陶瓷材料脆性 断裂韧性有一定的提高 可见 在制备ZrB2基超高温陶瓷材料时 不能忽视烧结助剂对材料 断裂韧性所带来的影响 M aterials图5ZS ZSA1和ZSA2超高温陶瓷的断裂韧性Fig 5Fracture toughnessofZS ZSA land ZSA23 2抗弯强度图6给出了ZS ZSA1和ZSA2超高温陶瓷材料的抗弯 强度的变化规律 通过A1N烧结助剂 致密度得到提高的同时 改善了晶界的结合状况 加之基体中采用了细小的SiC颗粒 又起到了颗粒增强的作用 这 使得ZSA强度显著提高 其中ZSA1抗弯强度提高的更为明显 其最高 抗弯强度值达到760MPa 鲁羞重量 工一M aterials图6ZS ZSAl和ZSA2超高温陶瓷的抗弯强度Fig 6Flexural strengthofZS ZSA1and ZSA24zSA陶瓷复合材料的烧蚀性能4 1实验方法试验所用试样为Ol8 mm 23mm的圆柱体 试验条件为氧乙炔火焰 火焰温度在2400 2600 氧气和乙炔的出口压力分别为0 39MPa和0 85MPa 在试验开始的瞬间 试样表面迅速受到氧乙炔火焰的冲刷 观察试 样表面的结构完整情况 评价热震及抗烧蚀性能 4 2抗烧蚀性能图7为试样烧蚀过程的时间 温度曲线 经300S最高烧蚀温度2467 曲线a 和600S最高烧蚀温度2344 曲 线b 的烧蚀后 试样的质量烧蚀率及试样尺寸变化如表2所示 烧蚀后试样表面仅形成一层薄薄的氧化层 试样表面经XRD衍射分析 得知烧蚀产物为ZrO2 图8 试样的整体结构完好 未出现炸裂和破碎现象 说明ZrB2一SiC A1N超高温陶瓷材料在氧乙炔火焰的烧蚀中具有良好的抗热震性能 p g暑矗旨 竺Time t s图7烧蚀时间与温度的关系曲线Fig 7The relationshipbetween ablativetime andtemperature表2试验后试样的尺寸变化及烧蚀率Table2Dimensio nal changeand ablationrate of the specimenafter test20 图8zsa超高温陶瓷烧蚀后的xrd衍射图fig 8xrd patternof zsaafter ablation 加h m ii 对 u 1ii 口 i0对 i d3il旦 4 稀有金属材料与工程第36卷5结论1 通过 热压烧结获得zrb2基陶瓷复合材料的力学性能分别为zs和zsa的最高 抗弯强度值分别达到590mpa和760mpa zs和zsa的最大断裂韧性值分 别达到3 56mpa 1ti和4 19mpa 1ti 2 A1N烧结助剂的加入 降低了ZrB2基陶瓷复合材料的烧结温度 提 高了材料的致密度 改善了材料的抗弯强度和断裂韧性 在ZrB2 SiC材料中添加不同含量的A1N烧结助剂 对材料的抗弯强 度和断裂韧性的提高效果有所不同 存在一个最佳的烧结助剂含量 区间 3 通过ZSA1和ZSA2陶瓷复合材料的氧乙炔烧蚀试验后 试样表面结 构保持完好 平均线烧蚀率分别为1 67x10mm s和6 67x10一mm s 经XRD衍射分析得知烧蚀产物为ZrO2 参考文献References 1 Upadhya RK HoffmannW P Am Ceram Soc Bull J 1997 76 12 51 2 William GF Hilmas GE NSF AFOSR JointWorkshop onFuture Ultra High DMR一0403004 xx 3 Bronson A Ma Y 139 11 3183Temperature M aterials NSF GrantMutso R J ElectrochemSoc J 1992 4 Gasch M Ellerby D Irby Eet a1 Journal of Materials Science J xx 395925 5 Opeka MM Talmy IG ZaykosklJ A Journal ofMaterialsScience J xx 395887 6 Lavy ALoke SR Leggett H ARS15th AnnualMeeting C W ashingtonD C 19601572 7 Zhang Guojun JAm CeramSoc J 2000 83 9 2330 8 Alligeo RA Co fin LB Tinklpaugh JR JAm CeramSoc J 1956 39 11 386 9 Sorrell CC Stubican VS Bradt RC J AmCeramSoc J 1986 69 4 317 10 Sorrell CC Beratan HR Bradt RC eta1 JAm CeramSoc J 1984 67 3 190 11 Frederic Monteverde Alida Bellosi Advanced EngineeringMaterials J xx 7 5 508 12 frederic monteverde alida bellosi scri ptamaterialia j xx 46223m icrostructureand properties of zrb2 sic ain posites hanw enbo m engsonghe han jiecai center for posite materialsand structure harbi n instituteof technology harbin150001 china abstractzrb2 20vo1 sic tivo 1 a1n zsa posites wereprepared byhot pressing underinert gasprotected witha1n assintering aidin thispaper the relationshipbetween sintering aid andsinteringdynamicsof zrb2based uhtcswas investigated the microstru cturesofthe posites wereanalyzed bythe meanssem etc m echanicalproper tiesand hightemperature ablation res