Ta改性ZrB2基超高温陶瓷的制备与抗氧化性能研究

作     者：黄永建 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沙建军

授予年度：2022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）] 

主      题：热防护系统 ZrB2基超高温陶瓷 力学性能 抗氧化性能 

摘      要：高超声速飞行器飞行过程中承受着高温、振动、热载荷等极端热环境,因此对其热防护系统相关材料的设计与制备提出了新的要求。ZrB具有热膨胀系数适中、低电阻率、高热导系数、高弹性模量、高硬度、优异的弯曲强度和抗氧化性能等优点,在高温领域有广泛的应用。Ta B与ZrB有相似的晶体结构,同样具有优异的抗氧化性能和力学性能。高温烧结时,ZrB极易与Ta B形成硼化物固溶体(ZrTa)B,与单相陶瓷相比,具有更优异的抗氧化性能和力学性能。因此,可利用Ta改性ZrB基超高温陶瓷,通过形成硼化物固溶体(ZrTa)B的方法制备出性能更加优异的复合材料。本文的具体研究内容如下:(1)利用热力学计算软件HSC6.0计算了ZrSi-Ta Si-BC-C混合粉末高温下可能发生的化学反应的吉布斯自由能,确定了反应生成ZrB、Ta B、Si C的可能性。(2)通过原位反应热压烧结ZrSi-Ta Si-BC-C混合粉末,在1200℃和1500℃分别制备了ZrB-Ta B-Si C和(ZrTa)B-Si C,在XRD图谱中可以看到明显的衍射峰偏移现象。ZrB-Ta B-Si C的相对密度为87.78%,表面比较粗糙,孔隙略多,各相边界不明显;形成了硼化物固溶体的(ZrTa)B-Si C的相对密度为92.50%,表面更加平整,孔隙更少,各相边界明显。(3)ZrB-Ta B-Si C的硬度和断裂韧性分别为12.59 GPa和3.66 MPa·m,(ZrTa)B-Si C的硬度和断裂韧性分别为15.11 GPa和5.89 MPa·m,形成硼化物固溶体后硬度和断裂韧性分别提高了20.02%和60.93%,大幅提高了复合材料的力学性能。(4)测试了(ZrTa)B-Si C和ZrB-15 vol.%ZrSi在200～1600℃温度范围内的抗氧化性能,氧化后质量分别增重0.34%和1.12%。与ZrB陶瓷相比,(ZrTa)B-Si C氧化后表面平整光滑,氧化物量较少,但质量增加一段后基本保持稳定,氧化防护效果优异,氧化后表面形成了由Zr-Si-O和Ta-Si-O氧化物层复合在一起的Zr-Ta-Si-O多相氧化玻璃层,包括TaO、TaO、TaO、Si O、ZrO、ZrSi O等等。与Zr-Si-O和Ta-Si-O氧化物层相比,抗氧化的保护效果得到了大幅的提高。