ZrB2-SiC陶瓷的高温强度、固溶行为、晶界结构及其相关性研究

ZrB2-SiC ceramic is an important member of the family of ultra high temperature ceramics (UHTCs), whose target application temperature is above 1800 C. During the past years, there have been lots of progress and developments in the researches on the synthesis of high purity and ultrafine powders, densification process of sintering, characterization of conventional mechanical properties and mechanism of oxidation resistance. Up to now, however, the evaluation of the mechanical properties at high temperature and analysis of correlative influence mechanisms are still an problem to be resolved, which is one of the bottle-neck problems hindering the development of UHTCs. Based on the systematic researches of the material preparations in our research group during the recent years, this project is going to evaluate the high temperature flexural strength in the high purity inert gases at different temperatures. By using the high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), electron energy loss spectroscopy (EELS) and high temperature internal friction spectrum (HTIFS) as the key characterization techniques, the interfacial chemistry, interfacial structure and solid solution formation affected by different compositions and sintering additives will be studied. Then, through the tests and analysis of the brittle-ductile transition temperature, high temperature static creep behavior, high temperature elastic modulus and residual stress and thermal conductivity, the intrinsic factors which affect the high temperature flexural strength of UHTCs, both monolithic ZrB2 and ZrB2-SiC composite, will be deeply investigated. All of the studies discussed above will provide a comprehensive guideline for the design of fabricating UHTCs with excellent high temperature properties.

ZrB2-SiC是重要的超高温陶瓷材料，其目标使用温度在1800℃以上。经过近十年的发展，超高温陶瓷已经在高纯超细粉体合成、烧结致密化、常规力学性能表征到抗氧化性能研究等方面取得了长足进步。但是，在高温力学性能的评价及相关影响机理的研究上明显滞后，成为阻碍超高温陶瓷发展的瓶颈之一。本项目将以近年来本研究团队在ZrB2-SiC超高温陶瓷制备科学和常规性能评价等方面的系统研究为基础，表征材料在惰性气氛中不同温度下的高温强度，以高分辨透射电镜、能量损失谱、高温内耗谱为核心分析手段，研究不同组分和烧结助剂对材料界面化学、界面结构和固溶体形成的影响，并结合对单相ZrB2陶瓷和ZrB2-SiC复相陶瓷的脆延转变温度、高温静态蠕变、高温弹性模量、残余应力和导热性能的测试与分析，深入探讨影响超高温陶瓷高温强度的内在因素，为设计具有优良高温力学性能的超高温陶瓷提供理论指导。

ZrB2基超高温陶瓷高温力学性能研究的滞后阻碍了超高温陶瓷的进一步发展。针对这一问题，本项目评价了ZrB2基超高温陶瓷在惰性气氛中不同温度下的高温强度，并结合对材料的高温蠕变、高温内耗谱、残余应力、导热率、超微结构、界面成分与结构、固溶等的方面分析，揭示了提升超高温陶瓷高温强度的内在机制，主要研究结果如下：.首先，利用TEM、EELS等手段确定了商业ZrB2粉体的氧污染由两部分组成：（1）非晶态的Zr-B-C-O包覆层；（2）晶态的ZrO2小颗粒。真空热处理后，ZrO2依然存在，而非晶态的Zr-B-C-O中只有部分B和O以BxOy的形式挥发，仅通过热处理无法完全去除氧杂质，添加除氧剂可有效减少氧杂质含量。针对商业ZrB2粉体氧含量高的问题，分别以ZrO2与B4C、B4C+C、B为原料制备了三种ZrB2粉体，结果显示，自制粉体的烧结性能优于商业粉体，且以ZrO2和B4C反应合成的粉体为原料，所制备的陶瓷具有最优的高温力学性能。.其次，利用自制的粉体，制备了单相ZrB2陶瓷及ZrB2基复相陶瓷，并研究了其高温力学性能。结果表明，采用自制的粉体，即使不添加除氧剂，所制备陶瓷的高温强度仍高于前人的文献报道值。但当温度高于1000ºC时，材料强度仍然下降。添加WC显著改善了ZrB2的高温力学性能，其强度随温度上升而提高，在1600ºC时，抗弯强度约为650 MPa。由于ZrB2和SiC热膨胀系数差异较大，ZrB2-SiC陶瓷中存在残余应力，添加WC的ZrB2-SiC陶瓷具有更大的残余应力、更高的高温强度和更好的高温抗蠕变性能。尽管ZrB2-SiC和ZrB2-SiC-WC陶瓷的晶界都很干净，但前者的三角晶界处存在玻璃相，其在高温下重新润湿界面，不仅提升了界面热阻，还导致材料的高温力学性能降低。该结果也被高温内耗分析进一步证实。在一系列的添加剂中，添加WC的材料具有最优异的高温力学性能，主要原因是：（1）通过化学反应降低样品中的氧杂质含量；（2）通过WB的固溶作用进一步降低晶界中氧杂质的含量；（3）通过晶界处W的富集强化晶界。.基于以上工作，将研究范围由ZrB2体系扩展到HfB2体系，得到了与ZrB2体系类似的研究结果。