Zr2Al4C5-SiC陶瓷的SPS制备及性能研究

作     者：李凌云 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈贵清

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Zr2Al4C5 Si C SPS烧结 裂纹自弥合 静态氧化 

摘      要：Zr-Al-C三元层状陶瓷具有良好的力学和抗氧化性等性能,但是其在高温条件下的抗氧化性能离应用仍有差距,因此Zr-Al-C陶瓷的使用受到了很大的限制。Si C的抗氧化性能很好,将其作为第二相添加到Zr-Al-C基体中可以改善基体的抗氧化性能;此外,Si C的强度及硬度也很高,对Zr-Al-C基体的力学性能也有较大改善。因此,制备Zr2Al4C5-Si C复合材料并对其抗氧化性能和力学性能进行研究具有重要意义。本文以Zr C、Al、炭黑为原材料,通过无压烧结制得Zr2Al4C5,再往Zr2Al4C5基体中添加不同体积分数的Si C通过放电等离子烧结(SPS)制得了Zr2Al4C5-Si C复合材料。研究了不同组分材料的微观形貌及相组成,测试了不同组分材料的力学性能,采用水淬-残余强度法衡量材料的抗热震性能,分析了热震试样的断口形貌;对试样引入预制压痕,研究了氧化温度对材料裂纹自弥合性能的影响,对氧化后试样的微观形貌及相组成进行了表征;研究了材料的恒温静态氧化性能,通过试样的单位面积增重及试样的氧化层厚度与氧化时间的关系来衡量材料的抗氧化性能,观察了不同氧化条件下试样的表面形貌及断口形貌。复合材料的主相是Zr2Al4C5与Si C,同时存在Zr C及其它Zr-Al-C化合物等杂质,Si C抑制了基体晶粒的尺寸,提高了材料的致密度和力学性能。随热震温差的增加,各个组分材料的残余弯曲强度先是呈下降趋势,最后趋于不变;在同一热震温差下,材料的残余弯曲强度保持率随Si C含量增加而增加。材料的临界热震温差随Si C含量的增加而升高。试样氧化层由氧化产物Zr O2、Al2O3和Zr Si O4、3Al2O3.2Si O2组成,这些氧化产物对裂纹起到填充作用,有利于材料强度的恢复,但是氧化层与材料基体之间的热应力则不利于材料强度的恢复,在不同的氧化温度区间内,起主导作用的因素不同,材料强度的变化规律也不同。试样单位面积增重和氧化层厚度与氧化时间的关系均遵循kp·tn形式的抛物线规律。添加10vol%Si C的Zr2Al4C5-Si C复合材料的抗氧化性能最好,Si C含量继续提高,材料抗氧化性能反而会有所下降。