硼化锆超高温陶瓷纤维及其复合材料制备的探索

Due to the hypersonic speed, long-time flight and reusable service features, future demands of modern weapon such as the hypersonic flight vehicles call for high temperature materials that can withstand high temperature oxidation conditions and have high heat-resistance limit temperature and excellent mechanical properties in the conditions of complex loading. This project mainly aims at the urgent needs of heat resistant materials of hypersonic near-space vehicles in the ultrahigh temperature. The preliminary study on the preparation of ZrB2 ultrahigh temperature ceramic fibers and the design, preparation and performance (mechanical properties, thermal shock performance) of ZrB2 fiber reinforced ceramic composites will be carried out to solve the bottleneck problems of the lower damage tolerance and the poor thermal shock resistance of the ultrahigh temperature ceramic materials. We will strive to make breakthrough in the strengthening and toughening of ceramic composites, it will provide the theory basis and the realization methods for the strengthening and toughening of the ultrahigh temperature ceramic composites and their engineering applications.

高超声速飞行器等现代武器装备由于其飞行速度快、长时间飞行及可重复使用的服役特征对材料提出了越来越高的要求，尤其对防热材料的耐温极限和耐久性、高温抗氧化性能和复杂载荷条件下的强韧化性能提出了苛刻的要求。因此，本项目将主要针对高超声速近空间飞行器对超高温防热材料的迫切需求，围绕超高温陶瓷材料较低的损伤容限和较差的抗热冲击性能这一瓶颈问题，重点开展ZrB2超高温陶瓷纤维的制备技术，ZrB2超高温陶瓷纤维复合材料的设计、制备与性能（力学性能、热冲击性能）等方面的研究，力争在超高温陶瓷复合材料的强韧化方面有所突破，为超高温陶瓷复合材料的强韧化和工程应用提供理论依据和实现方法。

超高温陶瓷材料损伤容限和抗热震性能差，制约了其在超高温领域的工程应用，采用传统的方法提高超高温陶瓷材料的强韧性和抗热冲击性能已趋于极限。用ZrB2等超高温陶瓷纤维增强有望攻克这一难题，但超高温陶瓷纤维的研究在国内外几乎是空白，因此，开展超高温陶瓷纤维及其复合材料的制备基础具有十分重要的意义。.项目主要针对高速航天飞行器对超高温防热材料的迫切需求，重点开展ZrB2超高温陶瓷纤维的制备技术研究，探索ZrB2超高温陶瓷纤维增强复合材料的制备技术。采用液相前驱体方法制备ZrB2 陶瓷纤维，确定了较优的前驱体纺丝液的组成；研究了纺丝工艺条件，揭示了前驱体纤维成型过程的结构调控规律；建立了陶瓷纤维烧结致密化过程中微缺陷、凝聚态结构及性能演变的过程。.项目执行期间发表论文6篇，会议论文1篇，申请发明专利3件，授权2件名，全面完成了项目的各项计划任务，达到预期目标，取得主要成果如下：.1）ZrB2陶瓷纤维前驱体纺丝液的制备：研制了可纺性较好的ZrB2陶瓷纤维的纺丝液，研究了纺丝液的性能及原料组成对目标陶瓷纤维晶型和产率的影响，经高温烧结后可以得到晶型较好的ZrB2陶瓷纤维，为ZrB2陶瓷纤维的制备打下基础。前驱体纺丝液的流变性能研究表明，纺丝液呈现典型的剪切变稀行为，具有较好的可纺性。前驱体纺丝液在陈化过程中聚乙烯醇与无机物发生了反应，形成复杂的化合物。随着反应时间延长，纺丝液变得稳定；随着纺丝助剂的减少，粘度变大，纺丝所需温度变高。.2）ZrB2前驱体纤维制备技术：建立了干法纺丝制备前驱体纤维实验设备，并对纺丝液组成、纺丝工艺条件等对可纺性的影响进行了研究。当固含量为27~32 %时，前驱体纺丝液可顺利纺丝，其最佳的纺丝温度40-55℃，纺丝液的粘度100-200Pa•s。.3）ZrB2陶瓷纤维烧结致密化技术：研究了前驱体纤维在升温过程中结构及组成的变化规律，并得到了较佳的烧结程序。在1600℃烧结后可得到孔径3nm左右，直径约13μm，晶型良好且致密的ZrB2微米陶瓷纤维。.4）超高温陶瓷纤维复合材料的制备及性能探索：对ZrB2陶瓷纤维复合材料的成型及性能进行了探索，研究表明得到的ZrB2纤维可以用作增强材料制备陶瓷复合材料。