硼化物共晶陶瓷燃烧合成熔铸的模型分析及微观结构

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硼化物共晶陶瓷具有优异的力学性能和高温性能,以及原位合成的复合陶瓷微观结构有序、界面洁净和界面结合力强等优点,长期以来世界各国研究人员对其展开了诸多研究。本文进行烧结造粒,使ZrB2-SiC形成团聚复合颗粒,筛分出粒径介于160目与80目之间、80目与40目之间的复合颗粒进行燃烧合成反应,利用Al和Zr(NO3)4之间反应放出的热量,将体系中的团聚复合颗粒加热至熔点以上,冷却析出两相互溶的硼化物陶瓷。利用XRD、扫描电子显微镜及能谱分析等方法对燃烧合成反应产物进行了物相分析及微观形貌的观察。燃烧合成中以Al和Zr(NO3)4为反应剂,通过热力学理论分析,分别计算了ZrB2-SiC、LaB6-ZrB2和LaB6-HfB2体系在燃烧合成实验中,绝热温度、反应压力与反应剂含量的关系,确定实验参数,体系绝热温度可以通过反应剂含量来控制。作为验证理论计算,本文测试了ZrB2-SiC体系燃烧合成反应在敞开环境及封闭环境的反应温度随时间的变化,并计算了燃烧波速。对实测的反应温度与理论绝热温度进行对比,其中敞开环境实测温度低于理论温度600K左右,封闭环境实测温度则低于理论温度200K左右。为了更好了解共晶形成,我们对燃烧合成熔铸模型进行分析,分别对体系中颗粒熔化过程、陶瓷液相扩散过程及凝固过程进行理论计算及ANSYS模拟;其中对共晶的颗粒熔化过程及反应体系的凝固过程进行ANSYS模拟,得出尺寸为40μm的颗粒其熔化时间为1.26×10-4s;利用一维扩散方程,估算出0.5-30μm处,浓度达到初始浓度一半时的扩散所需时间为2.510-4-0.9s;反应体系共晶凝固时间为13s,在微米尺度所需时间远小于凝固时间,体系扩散进行充分。通过SEM对各体系产物微观组织的观察,发现ZrB2-SiC团聚复合颗粒反应后,复合颗粒边界清晰,颗粒内由两相交替生长析出有条状规则分布的组织。说明复合颗粒对两相共溶析出有利。以ZrB2-SiC体系为研究对象,研究绝热温度为3600K和3800K下,离心辅助燃烧合成对共晶形成的影响。通过SEM的观察发现,绝热温度3600K时产物局部出现大片两相共溶析出区共晶区,3800K时产物出现大片共晶区域,且部分共晶组织较细密,初步实现了ZrB2、SiC的共溶区域与燃烧合成其他产物的分离。探索研究了LaB6-ZrB2及LaB6-HfB2体系,通过微观形貌分析,产物的中有很多未熔化区域,局部出现共晶组织,两体系均出现片层状共晶和棒状共晶混杂的组织。
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