多元复合zrb2基超高温陶瓷的制备【字数：7818】
二硼化锆(ZrB2)是超高温陶瓷(UHTCs)材料的一种，因为它具有较好的力学性能、高熔点、高硬度以及较好的抗氧化烧灼特性，让此类材料成为航空航天的热点材料之一。但是由于其塑性和韧性差等原因，使其发展受到阻碍。为了进一步提高二硼化锆的性能，本次工作基于多元复合和原位合成的思想来提高材料的综合性能。本工作利用原位热压高温烧结技术来制备ZrB2基超高温陶瓷材料，以ZrH2、Al粉、Si粉、石墨粉与B4C为原材料在1700℃和1850℃下反应生成ZrB2-SiC-Zr2[Al(Si)]4C5复相材料。本工作着重分析了Zr2[Al(Si)]4C5含量对复相陶瓷的力学性能、物相组成、显微结构以及烧结性能等方面的影响。研究结果表明在该条件下，材料内部均较为致密。对测出材料的XRD进行分析，探究材料的合成过程以及结果。在1700℃温度条件下，由原料原本的五种相经过反应生成最终只剩下Zr2[Al(Si)]4C5、ZrB2、SiC三种物相。随着温度的升高，显气孔率降低，致密度更加良好，烧结性能优越；而且与1700℃相比，1850℃下样品颗粒增大，气孔更加的少，样品更加致密。随着烧结温度的提高，材料的力学性能也随之提高，在1850℃下力学性能最好，其强度达到509MPa，韧性达到7.6MPa·m1/2；其力学性能的提高归因于颗粒增强和晶粒拔出效应。
目录
第一章 前言 1
1.1 引言 1
1.2 硼化锆基陶瓷 1
1.3 ZrB2陶瓷材料的应用 2
1.3.1 耐火材料 3
1.3.2 电极材料 3
1.3.3 其他材料 3
1.4 ZrB2 基陶瓷材料的现状 3
1.4.1 致密化研究 3
1.4.2 氧化研究 4
1.5课题提出以及研究内容 5
第二章 实验内容 6
2.1 实验原料 6
2.2实验用量 6
2.3实验设备 6
2.4 实验过程 6
2.4.1 配料 7
2.4.2 球磨 7
2.4.3 烧结 7
2.4.4 打磨抛光 7
2.5 表征与性能测试 7 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
2.5.1 显气孔率及体积密度的测试 7
2.5.2 材料表征 8
2.5.3力学性能测试 8
2.5.4 SEM分析 9
第三章 结果与讨论 10
3.1 XRD物相分析 10
3.2 烧结性能 11
3.3 力学性能 12
3.4 显微结构 12
第四章 结论 14
参考文献 14
致谢 16
第一章 前言
1.1 引言
随着科技的发展，航空航天事业也随之高速发展，超速飞行器等设备研发对材料的要求越来越高，特质越优越的高温材料越受欢迎。陶瓷材料就是能够满足高温领域的材料之一。其具有高熔点、高强度、较好的抗震性以及低密度等特性使之成为研究的重点对象。虽然陶瓷材料在高温领域有着无可比拟的优势，但是它本身塑性差、韧性低等缺点让它的发展受到了很大的影响。所以陶瓷基复合材料这一想法被提出，大部分研究学者进行研究希望可以寻找到提高陶瓷材料韧性更好的办法[1, 2]。其中纤维增韧或者晶须增韧等手段取得了一定的效果，但是成本高、工艺复杂以及提高性能有限等缺点依旧存在。研究依旧需要进行。
超高温陶瓷材料（UltrahighTemperature Ceramics，简称UHTCs）最先在1960s年代由美国军方支持研究，这种特殊材料在超高温一般指2000℃以及以上的温度下和特殊气氛中反应能够具有稳定的化学性能[3]。超高温陶瓷材料一般由硼化物、碳化物等这些化合物组成的多元复合陶瓷材料。其还在耐超高温、抗氧化和抗烧蚀等方面性能特别优越。
碳化物陶瓷中包括ZrC、HfC、TaC等各有其优越点，ZrC价格便宜，有着优良的导电和导热性，受欢迎程度很高。HfC陶瓷适用于极端环境，因为线胀系数与其它材料对比较低[4]。对于TaC，研究人员因为其较低的密度，抗烧蚀性、抗热震性优越进而认为TaC是超高温热防护领域的重点材料之一。但碳化物超高温陶瓷材料的断裂韧性较低，抗氧化性能差。
硼化物陶瓷（HfB2、ZrB2 等）较强的共价键组成让材料熔点、热导率、电导率等特点都很高，因为在高温下依旧有特别好的硬度，所以硼化物陶瓷成为最具潜力的超高温陶瓷材料之一[5]。硼化物陶瓷中ZrB2和HfB2是目前研究最为广泛的，其中通过添加SiC制备的ZrB2－SiC复合材料有着更好的综合性能。因为在高温条件下，材料表层会氧化形成硼硅酸盐保护层且可以保持到1600℃。但是抗氧化性较差是限制其广泛应用的主要障碍。
1.2 硼化锆基陶瓷
二硼化锆(ZrB2)，是超高温陶瓷(UHTCS)的一种，凭借其高熔点（>3000℃）、高硬度、良好的抗腐蚀性等综合优点，目前成为航空航天最佳候选材料之一。例如：超音速飞行器机身或机翼两端等需要承受高温的部位的使用。ZrB2属于间隙相共价键化合物的六边形晶体[6]，是典型六角结构如图1.2.1所示。
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图1.2.1 ZrB2晶体结构示意图
ZrB2的金体结构中由三种化学键组成：bb共价键、zrb离子键以及离域大π键。ZrB2具有良好的导电性和金属光泽，这种特性由一种类似石墨结构的二维网状结构决定，也就是说硼原子面与锆原子面交替出现在晶体结构中。离域大π键让ZrB2材料的导电性和导热性更加优秀，因为其游离态中电子是可以迁移的，由这些化学键的强健性使二硼化锆成为综合性能优越的材料[7]。其基本性能可由下表1.2.2可见。
表1.2.2 ZrB2 陶瓷的基本性质
性质
量值
性质
量值
热导率/(20℃)/ (W/ mK)
24.3
热膨胀系数/℃1(25℃1000℃)
5.9×106
体积密度/gcm3
6.09
弹性模量E/(GPa)
343
蒸气压/(1800℃)/ Pa
4.3×103
显微硬度H/ (GPa)
22.1
电阻率/(25℃)/Ωcm
1.7×104
标准生成焓/ KJmol1
322.59
熔点/℃
3040
标准生成熵/ J(mol℃)1
35.84
1.3 ZrB2陶瓷材料的应用
ZrB2基超高温陶瓷材料在高温领域具有独特的优势，比如高熔点、高硬度、低膨胀系数等等，让这类材料在超音速飞行器、大气再入等方面应用很大。然而，ZrB2基超高温陶瓷材料存在的一些缺陷如韧性低、塑性差等必须先行解决掉，不然无法大量投入使用。虽然近年来有一些新方法出现，但是相关研究依旧很少。不过即使如此，因为二硼化锆超高温陶瓷材料具有的极高的熔点、极好的导电率、良好的化学稳定性等特性让二硼化锆超高温陶瓷材料得到了广泛的应用[8,9]。
目录
第一章 前言 1
1.1 引言 1
1.2 硼化锆基陶瓷 1
1.3 ZrB2陶瓷材料的应用 2
1.3.1 耐火材料 3
1.3.2 电极材料 3
1.3.3 其他材料 3
1.4 ZrB2 基陶瓷材料的现状 3
1.4.1 致密化研究 3
1.4.2 氧化研究 4
1.5课题提出以及研究内容 5
第二章 实验内容 6
2.1 实验原料 6
2.2实验用量 6
2.3实验设备 6
2.4 实验过程 6
2.4.1 配料 7
2.4.2 球磨 7
2.4.3 烧结 7
2.4.4 打磨抛光 7
2.5 表征与性能测试 7 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
2.5.1 显气孔率及体积密度的测试 7
2.5.2 材料表征 8
2.5.3力学性能测试 8
2.5.4 SEM分析 9
第三章 结果与讨论 10
3.1 XRD物相分析 10
3.2 烧结性能 11
3.3 力学性能 12
3.4 显微结构 12
第四章 结论 14
参考文献 14
致谢 16
第一章 前言
1.1 引言
随着科技的发展，航空航天事业也随之高速发展，超速飞行器等设备研发对材料的要求越来越高，特质越优越的高温材料越受欢迎。陶瓷材料就是能够满足高温领域的材料之一。其具有高熔点、高强度、较好的抗震性以及低密度等特性使之成为研究的重点对象。虽然陶瓷材料在高温领域有着无可比拟的优势，但是它本身塑性差、韧性低等缺点让它的发展受到了很大的影响。所以陶瓷基复合材料这一想法被提出，大部分研究学者进行研究希望可以寻找到提高陶瓷材料韧性更好的办法[1, 2]。其中纤维增韧或者晶须增韧等手段取得了一定的效果，但是成本高、工艺复杂以及提高性能有限等缺点依旧存在。研究依旧需要进行。
超高温陶瓷材料（UltrahighTemperature Ceramics，简称UHTCs）最先在1960s年代由美国军方支持研究，这种特殊材料在超高温一般指2000℃以及以上的温度下和特殊气氛中反应能够具有稳定的化学性能[3]。超高温陶瓷材料一般由硼化物、碳化物等这些化合物组成的多元复合陶瓷材料。其还在耐超高温、抗氧化和抗烧蚀等方面性能特别优越。
碳化物陶瓷中包括ZrC、HfC、TaC等各有其优越点，ZrC价格便宜，有着优良的导电和导热性，受欢迎程度很高。HfC陶瓷适用于极端环境，因为线胀系数与其它材料对比较低[4]。对于TaC，研究人员因为其较低的密度，抗烧蚀性、抗热震性优越进而认为TaC是超高温热防护领域的重点材料之一。但碳化物超高温陶瓷材料的断裂韧性较低，抗氧化性能差。
硼化物陶瓷（HfB2、ZrB2 等）较强的共价键组成让材料熔点、热导率、电导率等特点都很高，因为在高温下依旧有特别好的硬度，所以硼化物陶瓷成为最具潜力的超高温陶瓷材料之一[5]。硼化物陶瓷中ZrB2和HfB2是目前研究最为广泛的，其中通过添加SiC制备的ZrB2－SiC复合材料有着更好的综合性能。因为在高温条件下，材料表层会氧化形成硼硅酸盐保护层且可以保持到1600℃。但是抗氧化性较差是限制其广泛应用的主要障碍。
1.2 硼化锆基陶瓷
二硼化锆(ZrB2)，是超高温陶瓷(UHTCS)的一种，凭借其高熔点（>3000℃）、高硬度、良好的抗腐蚀性等综合优点，目前成为航空航天最佳候选材料之一。例如：超音速飞行器机身或机翼两端等需要承受高温的部位的使用。ZrB2属于间隙相共价键化合物的六边形晶体[6]，是典型六角结构如图1.2.1所示。
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图1.2.1 ZrB2晶体结构示意图
ZrB2的金体结构中由三种化学键组成：bb共价键、zrb离子键以及离域大π键。ZrB2具有良好的导电性和金属光泽，这种特性由一种类似石墨结构的二维网状结构决定，也就是说硼原子面与锆原子面交替出现在晶体结构中。离域大π键让ZrB2材料的导电性和导热性更加优秀，因为其游离态中电子是可以迁移的，由这些化学键的强健性使二硼化锆成为综合性能优越的材料[7]。其基本性能可由下表1.2.2可见。
表1.2.2 ZrB2 陶瓷的基本性质
性质
量值
性质
量值
热导率/(20℃)/ (W/ mK)
24.3
热膨胀系数/℃1(25℃1000℃)
5.9×106
体积密度/gcm3
6.09
弹性模量E/(GPa)
343
蒸气压/(1800℃)/ Pa
4.3×103
显微硬度H/ (GPa)
22.1
电阻率/(25℃)/Ωcm
1.7×104
标准生成焓/ KJmol1
322.59
熔点/℃
3040
标准生成熵/ J(mol℃)1
35.84
1.3 ZrB2陶瓷材料的应用
ZrB2基超高温陶瓷材料在高温领域具有独特的优势，比如高熔点、高硬度、低膨胀系数等等，让这类材料在超音速飞行器、大气再入等方面应用很大。然而，ZrB2基超高温陶瓷材料存在的一些缺陷如韧性低、塑性差等必须先行解决掉，不然无法大量投入使用。虽然近年来有一些新方法出现，但是相关研究依旧很少。不过即使如此，因为二硼化锆超高温陶瓷材料具有的极高的熔点、极好的导电率、良好的化学稳定性等特性让二硼化锆超高温陶瓷材料得到了广泛的应用[8,9]。
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