网状结构Ta2AlC/TaC复合材料的强韧化机理与烧蚀机制

The nanolayered ternary Ta2AlC ceramic exhibits a promising high temperature structural ceramic. In this program, the in situ synthesis of large-scale, fine-crystal and net-like bulk Ta2AlC/TaC composite by self-propagating high-temperature combustion synthesis with the pseudo-hot isostatic pressing (SHS/PHIP) is suggested to be investigated. Effect of different processing parameters on the composition, microstructure and phase transition need to be investigated. And the thermodynamics and kinetics data of the synthesis are disclosed by the experimental results and theoretical analysis. Then, the reaction path and synthesis mechanism of the composite are determined. The mechanical properties of net-like Ta2AlC/TaC composite at room and elevated temperature are investigated, together with the thermal shock resistance. The ultra-high temperature ablation of Ta2AlC/TaC composite by plasma is investigated under atmosphere environment. And the ablation mechanism of the Ta2AlC/TaC composite is determined by the analysis of the experimental, theoretical and thermal-mechanical-coupled results. It would render a promising high-temperature structural wake flame material in the application of plasma and explan the application of the nanolayered ternary ceramics in the defence science and technology.

针对目前三元纳米层状Ta2AlC陶瓷的合成基本问题及潜在高温应用价值，本项目提出利用燃烧合成准热等静压（SHS/PHIP）技术原位合成制备大尺寸、致密、细晶的网状结构Ta2AlC/TaC复合材料，探索出不同工艺参数下合成产物的成分、结构形成与转变的规律，结合理论分析合成热力学、动力学，揭示燃烧合成制备Ta2AlC/TaC复合材料的机理。测试复合材料的高低温力学性能和抗热震性，揭示复合材料的强韧化机理。首次利用等离子体对Ta2AlC/TaC复合材料进行大气环境下超高温烧蚀研究，并根据实验结果和理论进行热力耦合分析，最终得到Ta2AlC/TaC复合材料的烧蚀机制，使之有望成为耐等离子体超高温烧蚀的新型结构材料，有利于开拓三元纳米层状陶瓷材料在新领域的应用，促进了解大气环境下等离子烧蚀现象对三元纳米层状陶瓷材料的影响机制，为将来开发新材料并在我国国防科技事业中发挥更大的作用打下基础。

Ta2AlC是一类具有潜在高温应用价值的三元纳米层状陶瓷材料。本研究通过不同原材料配比，探讨了不同工艺合成网状结构Ta2AlC/TaC复合材料，并根据合成Ta2AlC/TaC复合材料特点和Ta2AlC强韧化的目的，设计采用热压烧结、机械活化热压烧结和放电等离子烧结工艺合成了复合材料的基体Ta2AlC材料，通过调整制备工艺，得到了细晶、块体高性能的Ta2AlC材料，并揭示其合成机理。测试了材料的微观组织结构和力学性能，分析了材料强韧化机制。测试了Ta2AlC材料冲刷磨损性能，与制备的Ti2AlC和Cr2AlC材料进行了对比，结合其力学行为特征，分析了冲刷磨损行为。测试了Ta2AlC材料抗高温氧化性能，得到了其高温氧化动力学曲线，结合氧化产物形貌和氧化膜微观结构分析了其氧化机理。根据Ta2AlC 陶瓷大气环境下超高温烧蚀的实验，探索了Ta2AlC 陶瓷超高温烧蚀机制。研究结果表明，在高温1500℃的条件下，过量的TaC极易与Ta2AlC发生反应转变成Ta4AlC3，反映出只有非平衡条件下才可以合成Ta2AlC/TaC复合材料，而非平衡条件下的燃烧合成准热等静压（SHS/PHIP）工艺制备Ta2AlC/TaC复合材料容易导致非致密复合材料的合成，使得其力学性能、抗高温烧蚀性能等受到了严峻的考验。机械活化热压烧结和放电等离子烧结工艺可成功合成晶粒细小、致密块体Ta2AlC 陶瓷材料，细晶可以强化Ta2AlC 陶瓷材料，但晶粒细小会较小晶粒的桥接作用，从而降低材料的韧性。Ta2AlC与其他三元层状陶瓷Mn+1AXn的冲刷磨损中均有塑性特征行为，但不同Mn+1AXn材料会有不同的塑性破坏特征行为，硬度越高、分解点越高的三元层状陶瓷Mn+1AXn陶瓷材料，更多地表现为脆性破坏特征行为。直接力学上冲刷磨损、高温分解和析晶损失是三元层状陶瓷Mn+1AXn陶瓷材料在高速冲刷磨损过程中的损伤机制。Ta2AlC与Ti2AlC和Cr2AlC均具有良好的抗高温氧化性能，在超高温烧蚀中是伴随有氧化和分解现象的，分解点越低，越难形成致密的膜层保护其抗进一步的高温烧蚀，烧蚀时Al通常能形成Al2O3产物，而高分解点的Ta2AlC并不能如Cr2AlC那样形成更好的致密保护膜，但分解Al元素后的Ta2C高温下较为稳定，表现出良好的抵抗超高温烧蚀材料。