仿生层状ZrB2-Mo5SiB2复合材料的设计、微结构调控与性能研究

In order to improve the fracture toughness of ZrB2 ceramics, laminated ZrB2-Mo5SiB2 composites are designed based the “brick-and-mortar” of the nacre. ZrB2 is used as “brick” material and Mo5SiB2 is used as “mortar” materials, respectively. Tape Casting of thin ZrB2-Mo5SiB2 sheets are proceeded with a strong magnetic field alignment. Dense ZrB2-Mo5SiB2 composites are fabricated by spark plasma sintering and hot pressing. The effect of pressure, electric field and process parameters on the microstructure and mechanical properties of ZrB2-Mo5SiB2 composites will be investigated. The key scientific problems of growth and orderly arrangement of ZrB2 grains are addressed. The interface effects and the mechanism of pull-out of ZrB2 grains during the fracture progress will be revealed. And the toughness mechanism of laminated composites will also be revealed. The effects of Mo5SiB2 on the oxidation resistance of ZrB2 ceramics will be investigated. The effects of the components, microstructure and preparation processing of ZrB2-Mo5SiB2 composites on the thermal shock resistance and mechanical properties of the composites are investigated too. All of the studies discussed above will provide theoretical basis and technical support for the design and preparation of high strength and high toughness ceramic composites.

本项目针对二硼化锆（ZrB2）超高温陶瓷韧性差的问题，基于仿贝壳珍珠层的“砖-泥”层状结构，设计以ZrB2作为硬相材料（“砖”），Mo5SiB2作为软相材料（“泥”）的层状超高温陶瓷复合材料，提高ZrB2陶瓷的韧性，并通过磁场辅助的流延成型及放电等离子体烧结和热压烧结等场辅助烧结技术制备具有织构化特征的ZrB2-Mo5SiB2层状复合材料。拟研究压力场和电场等工艺参数对ZrB2-Mo5SiB2层状复合材料的显微结构和力学性能的影响，解决ZrB2晶粒择优生长、排列有序的关键科学问题。同时探索层状结构的界面效应及ZrB2晶粒在断裂过程中的滑移和拔出机制，揭示该层状复合材料的断裂增韧机理；研究Mo5SiB2含量对复合材料抗氧化性能的影响规律，分析高温环境下材料的组分、微观结构、制备工艺等因素对其高温力学性能和抗热震性的作用机理；为高强高韧陶瓷复合材料的设计与制备提供理论依据和技术支持。

ZrB2超高温陶瓷是航空航天领域研究的关键材料之一，然而ZrB2陶瓷材料的断裂韧性低等问题限制了其在航天器大气层再入、火箭推进系统等极端环境中的应用。仿生层状结构可以显著改进陶瓷材料的韧性，本项目利用流延成型工艺和场辅助烧结技术制备出ZrB2-Mo5SiB2层状复合材料，重点研究各环节中的基础科学问题，为新型非烧蚀防热材料的设计与制备提供理论依据和技术支持。主要研究结果如下：.（1）以ZrOCl2·8H2O、B4C和碳粉为原料，利用碳热还原法在1600 °C、保温1 h下制备出形貌良好的ZrB2晶粒，其直径约为0.5~3 μm，长径比达到8。在原料中添加50 wt.%的NaCl时，制备的ZrB2晶粒的直径约为1 μm，长径比约为30。.（2）以Mo粉、Si粉和B粉为原料，利用反应烧结在1450 °C、保温2 h下合成出高纯的Mo5SiB2粉体。流延成型工艺中，选用聚乙二醇（PEG）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）和磷酸三甲苯酯（TCP）作为浆料中的分散剂、粘结剂和增塑剂，三者的最优添加量分别为0.2 wt.%、4 wt.%和4 wt.%。.（3）以ZrB2-Mo5SiB2为基体层，Mo-Mo5SiB2为界面层，利用热压烧结在1950°C、压力30 MPa、保温2 h条件下制备出ZrB2-Mo5SiB2层状复合材料。当层厚比为13时，复合材料表现出优异的力学性能，断裂韧性为10.35 ± 0.13 MPa·m1/2。.（4）以Mo5SiB2为烧结助剂，利用SPS在1700 °C-1900 °C、压力60 MPa、保温10 min下烧结出致密的ZrB2-SiC-Mo5SiB2陶瓷复合材料。Mo5SiB2的加入，有利于ZrB2-SiC材料的致密化和强韧化，复合材料的抗弯强度最大值为755.1 ± 62.8 MPa，断裂韧性的最大值为8.25 ± 0.32 MPa·m1/2。