ZrC-ZrB2陶瓷复合材料

  采用机械合金化-自蔓延高温合成(MA-SHS)结合放电等离子烧结法制备了ZrC-ZrB2复合陶瓷。先将Zr粉末,B粉末和C粉末按照3∶2∶2~6 : 10 : 1内的不同比例球磨混合﹐然后点燃粉末使其发生自蔓延反应生成ZrB2粉末和ZrC粉末,在1800 ℃ /40 MPa /5 min的条件下烧结。所获得的ZrB2和ZrC的颗粒尺寸均小于5 um。ZrB2的引入在一定程度上弥补了单一相ZrC陶瓷材料力学性能不足的缺点﹐相对而言,烧结温度有所降低,抗氧化性能也得到提高。

  研究了采用SPS制备的ZrC,-ZrB。材料的烧结行为。先通过SEM和 TEM 观察ZrC粉末和ZrB2粉末,发现ZrC粉末中含有自由碳和无定形的SiO2且其尺寸分布不均匀;同时发现ZrB2粉末与ZrC粉末非常相似,都具有宽的尺寸分布范围。当ZrB2加入量为11%时,烧结而成的复合材料的致密度达到大(98%)。另外,在显微组织中发现了一些晶内相和晶间相:晶内相主要是沉积于包含SiO2的无定形相中的立方ZrO2或ZrxCyOz的纳米晶﹔晶间相主要由石墨组成﹐石墨来源于漩涡状自由碳的组织演变,即在SPS处理过程中发生了石墨化过程,使 ZrC和ZrB2晶粒间形成了石墨,这个晶间相起到了钉扎作用﹐减慢了晶界的运动。

ZrC-SiC陶瓷复合材料

  SiC陶瓷具有耐高温﹑抗热震﹑耐腐蚀﹑低膨胀系数﹑热传导性良好及质量轻等特点,是高温结构用陶瓷的重要候选材料之一。将SiC加入到硼化物陶瓷中,不仅提高了其烧结性﹐还限制了烧结过程中晶粒的异常长大﹐使复相陶瓷的强度和韧性大幅度增加[2728,同时,材料的抗氧化性能也得到明显提高。基于硼化物取得的这一成果,笔者选用SiC作为ZrC的**相增强材料﹐制备了ZrC-SiC、ZrC-SiC-C和ZrC-SiC-ZrB2二元和三元复合材料﹐发现复合材料中SiC颗粒的加入明显改善了ZrC的烧结性能﹐提高了材料的强度﹑硬度和断裂韧性;第三相片层石墨的引入在一定程度上促进了材料的致密化,同时使材料在维持二元基体材料强度水平的情况下,断裂韧性获得了一定的提高﹐分析其增韧机制主要是界面分层诱导韧化和弱界面的引入诱导裂纹偏转桥连。在ZrC-SiC复合材料中加入ZrB2后,基体ZrC的晶粒尺寸呈现减小的倾向﹐材料的强度和硬度得到了明显提高﹐当ZrB2含量为20%(体积分数)时,强度和硬度分别高达627 MPa和26.4 GPa,但 ZrB2对韧性贡献较小,当裂纹扩展遇到ZrB2颗粒时﹐部分ZrB2发生了开裂,不能明显改变裂纹扩展的路径。

ZrC-Mo陶瓷复合材料

  为了改善和提高陶瓷的韧性,材料工作者们向陶瓷基体内添加各种陶瓷颗粒、纤维及晶须﹐制备出各种陶瓷基复合材料,并且取得了可喜的成果。近年来﹐由于金属具有比陶瓷材料更好的延性﹐且部分金属具有较高的熔点﹐因而人们将金属加入到陶瓷中形成陶瓷复合材料﹐试图改善材料的烧结性能和韧性。在ZrC中加入金属Mo，分别采用无压烧结﹑热等静压烧结和液相烧结方法制备出不同Mo含量的ZrC-Mo复合材料﹐并对材料系统内可能存在的化学反应﹑材料的显微组织特征、力学性能以及抗热震性能分别进行了详细的研究。结果表明,在无碳的He/Hg气氛下烧结,当烧结温度为1700~2000 ℃时,材料**的相组成为ZrC、Mo和Mo2C三相;而当烧结温度升高到2100 ℃时,相组成为ZrC和Mo两相。这一结果与所报道的相平衡数据是一致的。另外,当Mo 的加入量高于20%(体积分数)时,在 He/H。气氛下2150 ℃烧结60min,材料的气孔率小于5%;而在真空条件下2200 ℃烧结60 min,材料的气孔率仅小于10%。烧结条件不同导致材料致密度的变化主要与高温下亚稳相Mo2C的生成使材料产生液相烧结有关。力学性能研究表明,ZrC-Mo陶瓷材料的弹性模量随着Mo含量的增加逐渐降低﹐而强度随着Mo含量的增加而升高。当采用热等静压烧结时,ZrC-Mo 陶瓷的强度和断裂韧性分别达到480 MPa和6.6 MPa· m1/2。抗热震性能研究发现,当Mo加入量为30%(体积分数)时,ZrC-Mo陶瓷的临界温差是350 ℃,比纯ZrC陶瓷的高120 ℃,分析认为临界温差的增加与断裂韧性的提高有关。

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