过渡金属碳化物(ZrC, HfC）的致密化与强韧化研究

过渡金属碳化物具有比相应硼化物更高的熔点和更好的潜在超高温性能，是能够在2500℃以上使用有限的几类候选材料之一，在高马赫飞行器的超燃冲压发动机以及固体火箭发动机中具有重要应用前景。但碳化物陶瓷的韧性低，自扩散系数低，烧结致密化困难。本项目针对碳化物陶瓷的致密化和强韧化两大主要问题，拟从超细粉体的制备入手，采用两步升温减压碳热还原法制备粒径小于0.5微米的粉体。在此基础上引入与基体金属元素不同的过渡金属硼化物，利用体系中发生的置换-固溶反应促进材料的烧结致密化和晶粒细化，并采用反应模板晶粒生长技术制备板状或棒状颗粒增韧的材料，在保持材料高温性能的同时实现材料的强韧化。深入研究碳热还原反应条件与碳化物粉体性状间的关系及其内在原因，探讨碳化物陶瓷烧结的内在机制，强韧化机理及材料显微结构与性能的关系，为高纯超细过渡金属碳化物粉体的合成以及材料的强韧化提供借鉴和理论指导。

碳化物（MC，M=Hf，Zr）超高温陶瓷具有高熔点和优异的高温性能，是能够在2500 ℃以上使用的有限的几类候选材料之一，有望在高超声速飞行器及火箭推进系统的耐热结构中得到应用。但碳化物陶瓷的韧性低，自扩散系数低，烧结致密化困难。本项目针对碳化物陶瓷的致密化和强韧化两大主要问题，从MC超细粉体合成入手，研究了温度、碳源、气压等因素对粉体氧含量、物相、粒径变化的影响规律，采用两步减压碳热还原法制备了平均粒径小于500nm的MC超高温陶瓷粉体。利用无压烧结、热压烧结和原位反应放电等离子体烧结技术制备了致密的MC陶瓷，并研究了粉体粒径、氧含量、烧结温度、烧结助剂等对MC超高温陶瓷致密化和微结构变化的影响规律。通过添加微米级硼化物棒晶、SiC第二相粒子及原位反应生成W第二相等手段对碳化物陶瓷的微结构进行了调控，提高了材料的强度和韧性。探讨MC陶瓷致密化机制及材料显微结构与性能的关系，为MC超高温陶瓷的研究和应用提供了借鉴和理论指导。