碳黑颗粒增韧ZrB2-SiC陶瓷基复合材料的研究

摘要

ZrB2具有高熔点、高硬度、导电和导热性能好，高温强度高等特点而在航空航天、冶金等领域中具有广泛的应用前景。而 ZrB2陶瓷材料固有的脆性和在高温差或者高热流变化环境中的热冲击断裂失效问题阻碍了它在苛刻环境中的应用。颗粒增韧陶瓷基复合材料可以很好地解决这些问题。本研究是将碳黑颗粒引入到ZrB2-SiC材料中，采用传统热压烧结工艺，制备出了高抗热冲击性能的ZrB2-SiC-C复合材料，并在此基础上对其微观组织、力学性能、抗热冲击性能及机理进行了研究，为其能在高温环境下应用打下良好基础，并为ZrB2-SiC-C陶瓷基复合材料在高温环境中的应用提供了可靠的理论依据。
　　本文选择湿混球磨工艺，旋转蒸发得到混合均匀的粉料后，经过1900℃，30MPa，保温60min热压烧结制备出了碳黑颗粒在基体中分散较好且组织较为均匀、致密度高的复合材料。
　　考察了碳黑含量在5vol.％~30vol.%的ZrB2-SiC-C复合材料的微观组织和力学性能，结果表明碳黑的加入使得复合材料的断裂韧性有所提高。添加碳黑后，复合材料的断裂韧性由4.5MPa·m1/2增加到6.57MPa·m1/2，分析认为微裂纹增韧和晶粒细化增韧使得复合材料的韧性得以提高；对碳黑颗粒和基体界面观察还发现，碳黑颗粒的存在可以使得其和基体形成了弱界面结合，这样的界面具有较好的力学相容性，可以有效地释放界面应力，使得断裂过程中裂纹沿着虚弱的界面发生偏转，增大裂纹扩展路径，消耗裂纹自身能量而提高材料的断裂韧性。
　　通过氧-乙炔装置考核了快速升温条件下ZrB2-20SiC-C材料的抗热冲击性能，对ZrB2-20SiC-C和ZrB2-20SiC材料进行对比，发现ZrB2-20SiC材料出现由边缘向中心扩展的裂纹而导致材料的破坏，而ZrB2-20SiC-10C试样表面没有发现明显的宏观裂纹，分析表明碳黑的加入对应力的释放作用使得材料的升温热冲击性能明显改善。水淬试验后热冲击后残留强度的测量结果显示，复合材料的临界抗热冲击温差分别均在450℃以上，相对ZrB2-20SiC复合材料的临界抗热冲击温差369℃，碳黑的添加明显地提高了材料的临界热冲击温差。

目录

碳黑颗粒增韧ZrB2-SiC 陶瓷基 复合材料的研究

RESEACH ON CARBON BLACK PARTICLES TOUGHENED ZrB2-SiC CERAMIC MATRIX COMPOSITES

摘要

abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和课题意义

1.2 ZrB2 超高温陶瓷基复合材料

1.2.1 ZrB2 超高温陶瓷基复合材料的制备工艺

1.2.2 ZrB2 超高温陶瓷基复合材料的韧化研究

1.2.3 颗粒增韧 ZrB2 超高温陶瓷的增韧机理

1.2.4 ZrB2 超高温陶瓷基复合材料的抗氧化烧蚀性能

1.2.5 ZrB2 超高温陶瓷基复合材料的抗热冲击性能

1.3 颗粒在 ZrB2 陶瓷基复合材料中的应用

1.4 本课题研究的主要内容

第2章 实验内容与方法

2.1 实验原料与设备

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验设备

2.2 ZrB2-SiC-C 陶瓷基复合材料的制备

2.2.1 ZrB2-SiC-C 陶瓷基复合材料中各成分比例的确定

2.2.2 ZrB2-SiC-C 陶瓷基复合材料的工艺路线图

2.2.3 ZrB -SiC-C 陶瓷基复合材料的烧结工艺

2.3 材料的基本性能测试

2.3.1 相对密度的测试

2.3.2 弯曲强度的测试

2.3.3 断裂韧性的测试

2.4 抗热冲击性能测试

2.4.1 氧-乙炔热冲击实验

2.4.2 水淬热冲击实验

2.5 成分及组织结构分析

2.6 本章小结

第3章 ZrB2-SiC-C 陶瓷基复合材料的微观结构及力 学性能

3.1 ZrB2-SiC-C 陶瓷基复合材料的微观结构

3.1.1 相对密度

3.1.2 复合材料的微观组织结构分析

3.2 ZrB2-SiC-C 陶瓷基复合材料的力学性能

3.2.1 弯曲强度与碳黑含量的关系

3.2.2 断裂韧性与碳黑含量的关系

3.3 本章小结

第4章 ZrB2-SiC-C 陶瓷基复合材料的韧化机理研究

4.1 碳黑颗粒韧化 ZrB2-SiC 陶瓷基复合材料设计

4.1.1 设计原则

4.1.2 碳黑颗粒的选择

4.2 ZrB2-SiC-C 陶瓷基复合材料的增韧机理分析

4.2.1 微裂纹增韧

4.2.2 晶粒细化增韧

4.2.3 弱界面增韧

4.3 本章小结

第5章 ZrB2-SiC-C 陶瓷基复合材料的抗热冲击性能

5.1 ZrB2-SiC-C 陶瓷基复合材料的抗氧-乙炔热冲击性能

5.2 ZrB -SiC-C 陶瓷基复合材料的水淬热冲击性能

5.2.1 ZrB2-20SiC-C 的微观组织结构分析

5.2.2 ZrB2-20SiC-C 陶瓷基复合材料的热冲击机理分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

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哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢