ZrC-SiCw-SiCnm复合材料力学及氧化烧蚀性能研究

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超高温ZrC陶瓷材料具有典型难熔碳化物陶瓷优异的性能,在航空、航天、能源等诸多方面受到广大研究人员的关注。本文针对单相ZrC陶瓷具有低的烧结性能,强韧性不高,抗氧化耐烧蚀性能差等缺点,加入SiC晶须(SiCw)及SiC纳米颗粒(SiCnm),采用热压烧结技术制备ZrC基复合材料(ZrC-SiCw-SiCnm)来提高ZrC陶瓷性能。本文利用SiCw和SiCnm两者不同的形态在ZrC基体中形成近似连续级配,对整个材料体系进行优化设计,在1900℃,氩气保护下采用热压烧结制备出SiCw体积含量为5%~15%与SiCnm体积含量为5%~15%七组混杂增强增韧ZrC基超高温复合材料,同时对所制备的材料进行组织分析与性能测试,研究该材料体系的工艺-组织-性能之间的关系。重点探讨晶须纳米颗粒混杂的强韧化机制与氧化抑制机制。将SiCw加入ZrC,主要是通过裂纹偏转、晶须桥接与晶须拔出等增韧机制对复合材料起到强韧化效果,加入SiCnm,在烧结过程中提高复合材料制备时的致密度,通过细晶强化,增加裂纹的扩展,颗粒对裂纹的钉扎以及复合材料内各组分间热膨胀、弹性模量失配途径来提高材料的强韧性。在实际增韧增强过程中往往是由几种机理同时起作用,发挥各自增韧增强机理的优点,通过加和效应或相补效应,使几种机理达到最理想的效果。其75ZrC+10SiCw+15SiCnm,抗弯强度达到最大为481.12MPa,75ZrC+15SiCw+10SiCnm,断裂韧性达到最大为4.9MPam1/2。对三组SiCw与SiCnm混杂增强增韧ZrC基复合材料进行水淬-残余强度法热震实验,实验表明:三组复合材料在热震温差ΔT=300℃左右时,抗弯强度发生骤降,并用临界热震温差评价材料的抗热震性能,其中80ZrC+15SiCw+5SiCnm临界热震温差为343℃,表明加入SiC有利于复合材料抗热震性能的提高,并且SiCw对材料抗热震性能的提高更为显著。用氧-乙炔焰烧蚀ZrC-SiCw-SiCnm,采用质量烧蚀率和线烧蚀率评价复合材料的抗氧化能力与耐烧蚀性能,并分析该材料体系的氧化烧蚀机理。其中80ZrC+5SiCw+15SiCnm与75ZrC+15SiCw+10SiCnm两组复合材料线烧蚀率分别只有3.63×10-4mm/s和3.85×10-4mm/s,表现出了零烧蚀,ZrC-SiCw-SiCnm在氧-乙炔焰烧蚀条件下,表面生成一层ZrO2/SiO2玻璃相氧化层,并且截面上形成了SiC耗散层、过渡氧化物ZrCxO1-x、熔融的SiC、SiO2及ZrO2填充烧蚀孔洞以及以ZrO2为骨架,ZrO2与SiO2玻璃相弥合于骨架孔洞间的结构,抑制O2向内部扩散,从而提高了材料的抗氧化能力与耐烧蚀性能。
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