高压辅助自蔓延制备HfB2-SiC超高温陶瓷及烧结机理研究

Ultra-high temperature ceramics (UHTCs) of hafnium boride bonded silicon carbide (HfB2-SiC) is of strategic importance in kinds of cutting-edge technology, including aviation & aerospace and national defense industry. However, the existing methods for preparing HfB2-SiC composites suffers from the following disadvantages, including the requirement of a high sintering temperature or a long soaking duration, high energy consumption, as well as the likelihood of arousing significant grain growth, which impedes improvement in the property of HfB2-SiC composites. In this view, a novel high-pressure-assisted self-propagating high-temperature synthesis method is developed with this project, for in-situ synthesis and rapid sintering of high-performance HfB2-SiC composites. The research of this project is focused on: (1) Efficient and energy-saving preparation the UHTCs of HfB2-SiC with a high density and a small grain size; (2) Revealing the influence of high pressure and SHS conditions on the microstructure and performance of HfB2-SiC composites; (3) Elucidating the responsible mass-transfer mechanisms for microstructural texturation and rapid densification of HfB2-SiC composites, and investigating its mechanical properties and oxidation resistance. This project is attempted to offer new ideas to develop the preparation method of HfB2-SiC composites with excellent mechanical properties and oxidation resistance, and provide theoretic guidance for the development of preparation technique of UHTCs.

硼化铪-碳化硅超高温陶瓷材料在航天航空、国防工业等尖端科技领域具有特别重要的战略意义。现有的硼化铪-碳化硅复合材料的制备方法存在着烧结温度高、保温时间长、能耗高、产物的晶粒尺寸较大且性能难以满足需求等缺点。因此，本课题拟采用高压自蔓延法，原位合成同步快速烧结制备高性能的硼化铪-碳化硅复合材料。研究重点为：首先，高效率、低能耗地制备致密、细晶的硼化铪-碳化硅超高温陶瓷；其次，揭示高压自蔓延法的制备工艺条件对硼化铪-碳化硅复合材料的显微结构和性能的影响规律；最后，阐明硼化铪-碳化硅复合材料的结构织构化和快速致密化的机理，并研究其力学性能和抗氧化性能的优化。本研究有望为制备具有优异的力学性能和抗氧化性能的硼化铪-碳化硅复合材料的制备提供新思路，并为超高温陶瓷制备技术的发展提供理论指导。

硼化铪-碳化硅超高温陶瓷材料在航天航空、国防工业等尖端科技领域具有特别重要的战略意义。现有的硼化铪-碳化硅复合材料的制备方法存在着烧结温度高、保温时间长、能耗高、产物的晶粒尺寸较大且性能难以满足需求等缺点。因此，本课题采用高压自蔓延法，原位合成同步快速烧结制备高性能的硼化铪-碳化硅复合材料。.本项目开发了“化学炉辅助高压自蔓延法”，原位合成/烧结制备具有高纯度、高致密度和织构化显微结构的HfB2-SiC复合材料，明确了“化学炉”的组成和用量、最高反应温度、保温时间、外加压力和保压时间等主要工艺参数对烧结材料的物相组成、显微结构和力学性能的影响。研究结果显示，“化学炉”不仅发挥了延长烧结保温时间作用，而且避免烧结材料被氧化污染以及在高压作用下发生塑性开裂现象。此外，合适的反应温度有助于合成产物的烧结和避免成分外溢，而过高的反应温度将阻碍烧结材料的快速致密化及力学性能强化。.采用“化学炉辅助高压自蔓延法”，在烧结温度为1460°C/20 min、外加压力为100 MPa/5 min以及原料组成为n(B4C)/n(HfSi2)=3.0的条件下制备的HfB2-SiC复合材料具有高硬度(24.8±1.3 GPa) 以及优异的断裂韧性(5.0±0.4 MPa•m1/2)。此突出的力学性能应被归因于烧结材料的高相对致密度(99.3%)和棒状HfB2单晶组成的织构化显微结构。.研究结果证实，“高压自蔓延法”在制备HfB2-SiC超高温陶瓷方面具有多种重要优势：①高压力有助于强化扩散致密化机制的作用效果，并且可能触发更加高效的“塑性流动”致密化机制，从而促进原位合成的HfB2-SiC的快速致密化进程；②自蔓延反应的强放热特性可使反应物熔融，从而为HfB2晶粒的取向生长提供适宜的液相环境，并且协同高外加压力诱导HfB2晶粒进行取向一致化地排列，由此促进HfB2-SiC复合材料的结构织构化及基于“自增韧”机制的韧性强化；③超高升温速率可大幅度地降低B2O3的挥发损失，从而有效地防止HfB2-SiC复合材料的表面保护层破坏，并且抑制基于蒸发-凝聚机制的晶粒生长，由此促进HfB2-SiC复合材料的快速致密化以及力学性能改善。