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晶粒互锁结构与短切碳纤维增韧zrb2-sic复合材料的制备与力学性能

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无机材料学报 2019年第9期34卷 918-924页

作者：张兆甫沙建军祖宇飞代吉祥大连理工大学辽宁省空天飞行器前沿技术重点实验室大连116024 大连理工大学航空航天学院工业装备结构分析国家重点实验室大连116024

zrb2-sic基复合材料具有比单体zrb2更优异的抗氧化性能及力学性能,但其相对较低的韧性限制了其实际工程应用,采用微结构设计或引入增韧相是改善陶瓷材料韧性的两个有效途径。本研究采用反应热压烧结工艺,分别制备了具有独特片状zrb2晶... 详细信息

zrb2-sic基复合材料具有比单体zrb2更优异的抗氧化性能及力学性能,但其相对较低的韧性限制了其实际工程应用,采用微结构设计或引入增韧相是改善陶瓷材料韧性的两个有效途径。本研究采用反应热压烧结工艺,分别制备了具有独特片状zrb2晶粒互锁结构的zrb2-sic复合材料和以短切碳纤维(Csf)为增韧相的Csf/zrb2-sic复合材料。对比研究发现,晶粒互锁结构展现出优异的自强韧化效果,使zrb2-sic复合材料具有较高的弯曲强度及断裂韧性,但材料表现出典型的脆性断裂特征;Csf/zrb2-sic复合材料弯曲强度下降,但Csf具有显著的增韧作用,不仅使材料具有较高的断裂韧性,而且临界裂纹尺寸及断裂功都得到显著提高,从而表现出非灾难性破坏模式。

关键词：超高温陶瓷晶粒互锁结构短切碳纤维 zrb2-sic 断裂性能

zrb2-sic粉末与等离子射流场的相互作用

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中国表面工程 2019年第6期32卷 20-28页

作者：孙世杰柳彦博马壮徐俊杰郭嘉仪北京理工大学冲击环境材料技术国家级重点实验室北京100081 北京星航机电装备有限公司北京100074

为了探究等离子喷涂制备zrb2-sic涂层组织结构疏松、致密性差的原因,采用去离子水对经过射流场加热的粉体进行收集,对比前后粉体的组织结构特征以及物相变化。设计单颗粒沉积试验探究粉体的熔化状态以及变形颗粒的形貌特征,并与等离子... 详细信息

为了探究等离子喷涂制备zrb2-sic涂层组织结构疏松、致密性差的原因,采用去离子水对经过射流场加热的粉体进行收集,对比前后粉体的组织结构特征以及物相变化。设计单颗粒沉积试验探究粉体的熔化状态以及变形颗粒的形貌特征,并与等离子喷涂制备涂层进行对应分析。结果表明,由于"涡流效应"使得经过等离子射流场的zrb2-sic粉体与卷入的氧气发生反应,粉体出现轻微氧化现象。经过等离子射流场后,zrb2-sic粉体呈现3种形貌特征:表面光滑型、表面多孔型、表面团聚型。其原因与等离子射流温度场非均匀性以及粉体的飞行路径有关。变形颗粒呈现与之相对应的3种形貌特征:熔化充分颗粒、团聚堆积颗粒、以及介于两者间的半熔融半疏松颗粒。共晶组织包裹的zrb2颗粒容易在涂层中形成致密区,而团聚堆积的zrb2和sic颗粒是涂层形成疏松区的主要原因。

关键词： zrb2-sic 等离子喷涂单颗粒沉积微观形貌致密度

La2O3改性zrb2-sic涂层C/C复合材料全温域抗氧化行为研究

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稀有金属材料与工程 2020年第1期49卷 241-246页

作者：姚西媛陈苗苗冯广辉西北工业大学材料学院陕西西安710072 航空工业成都飞机工业有限责任公司四川成都610092 西北工业大学陕西西安710072

采用高温反应熔渗工艺制备了zrb2-sic和La2O3改性zrb2-sic涂层C/C复合材料,对比了2种涂层试样在中温(7001100℃)、高温(12001500℃)和超高温(2000℃以上)3个温域范围内的抗氧化性能。结果表明:7001100℃范围内,随着温度的升高,La2O3改... 详细信息

采用高温反应熔渗工艺制备了zrb2-sic和La2O3改性zrb2-sic涂层C/C复合材料,对比了2种涂层试样在中温(7001100℃)、高温(12001500℃)和超高温(2000℃以上)3个温域范围内的抗氧化性能。结果表明:7001100℃范围内,随着温度的升高,La2O3改性涂层试样的抗氧化性能提升幅度在逐渐提高。1200℃1500℃范围内,涂层均表现出良好的长时抗氧化性能,La2O3改性zrb2-sic在1200℃下恒温氧化250 h后,仍保持微量的增重;涂层复合材料良好的高温抗氧化性能主要其在是由于氧化过程中涂层表面形成的La-Si-O复合玻璃层和钉扎相ZrSiO4的协同作用提升了氧化膜的高温稳定性。在2000℃以上的氧乙炔火焰烧蚀环境下,La2O3的添加使得zrb2-sic涂层的质量烧蚀率和线烧蚀率均降低了近50%,其主要归因于表层La-Si-O和ZrO2玻璃层对烧蚀缺陷的愈合作用。

关键词：抗氧化涂层 La2O3 zrb2-sic 全温域抗氧化性能

LaB6和La2O3添加剂对zrb2-sic超高温陶瓷结构与性能的影响

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稀有金属材料与工程 2009年第S2期38卷 909-912页

作者：朱时珍徐强杨洋程琨北京理工大学

采用SPS工艺制备添加La2O3或LaB6的zrb2-sic陶瓷,测量试样的密度和力学性能,利用扫描电镜和透射电镜观察试样的微观形貌,研究添加镧的不同化合物对zrb2-sic陶瓷显微结构和力学性能的影响,分析添加量对材料力学性能的影响。同时对zrb2-Si... 详细信息

采用SPS工艺制备添加La2O3或LaB6的zrb2-sic陶瓷,测量试样的密度和力学性能,利用扫描电镜和透射电镜观察试样的微观形貌,研究添加镧的不同化合物对zrb2-sic陶瓷显微结构和力学性能的影响,分析添加量对材料力学性能的影响。同时对zrb2-sic-La2O3和zrb2-sic-LaB6陶瓷进行热处理,考察热处理对其力学性能的影响。结果表明,加入2.5%或5%(质量分数,下同)的La2O3或LaB6添加剂后,材料的室温强度、高温强度、断裂韧性都比无添加剂时要高;当含量相同时,加入LaB6比La2O3更有利于提高陶瓷材料的室温强度;当添加剂的含量为2.5%时,材料的室温强度比较好,当添加剂的含量为5%时,材料的高温强度和断裂韧性比较高。热处理可以提高zrb2-sic-La2O3和zrb2-sic-LaB6陶瓷材料的高温强度。

关键词：超高温陶瓷 zrb2-sic 力学性能氧化镧硼化镧

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常压烧结制备zrb2-sic复相陶瓷材料

稀有金属材料与工程 2009年第S2期38卷 916-919页

作者：张辉闫永杰黄政仁刘学建中国科学院上海硅酸盐研究所中国科学院研究生院

以溶胶凝胶法合成的亚微米级和市售微米级zrb2粉体为原料,B4C和Mo为烧结助剂,在氩气气氛下,常压烧结制得zrb2-sic复相超高温陶瓷材料。研究结果表明,亚微米级zrb2超细粉体的加入对zrb2-sic复相陶瓷的常压烧结致密化有一定的促进作用,但... 详细信息

以溶胶凝胶法合成的亚微米级和市售微米级zrb2粉体为原料,B4C和Mo为烧结助剂,在氩气气氛下,常压烧结制得zrb2-sic复相超高温陶瓷材料。研究结果表明,亚微米级zrb2超细粉体的加入对zrb2-sic复相陶瓷的常压烧结致密化有一定的促进作用,但对材料性能的影响不太明显。当超细粉体占到粉体质量的30%时,材料的相对密度约为97%。复相材料的三点抗弯强度为(327±56)MPa,弹性模量为(365±30)GPa,维氏硬度和断裂韧性分别为(12.30±0.75)GPa和(3.39±0.35)MPa.m1/2。另外,从材料的SEM照片明显看出,在压痕棱角尖端出现裂纹分叉现象,同时在裂纹延伸过程中发生偏转,断裂模式多为穿晶断裂,较少为沿晶断裂。

关键词： zrb2-sic 常压烧结力学性能显微结构

包裹Yb2O3的zrb2-sic复合材料无压烧结

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稀有金属材料与工程 2009年第S2期38卷 902-905页

作者：冯超朱时珍徐强北京理工大学

采用沉淀法制备了表面包裹Yb2O3的zrb2-sic-Yb2O3复合粉体(不同含量的Yb2O3作为烧结助剂),并在1900℃无压烧结制备了zrb2-sic-Yb2O3复合材料。研究Yb2O3添加量对复合材料致密化和性能的影响。结果表明,Yb2O3的添加在促进zrb2-sic烧结致... 详细信息

采用沉淀法制备了表面包裹Yb2O3的zrb2-sic-Yb2O3复合粉体(不同含量的Yb2O3作为烧结助剂),并在1900℃无压烧结制备了zrb2-sic-Yb2O3复合材料。研究Yb2O3添加量对复合材料致密化和性能的影响。结果表明,Yb2O3的添加在促进zrb2-sic烧结致密的同时,也提高了zrb2-sic复合材料的力学性能。添加10%Yb2O3(质量分数,下同)的zrb2-sic复合材料的相对密度为89%,抗弯曲强度为158MPa,断裂韧性为2.95MPa.m1/2。

关键词：超高温陶瓷 zrb2-sic Yb2O3 无压烧结力学性能

B4C对zrb2-sic基陶瓷力学性能和显微结构的影响

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稀有金属材料与工程 2009年第S2期38卷 906-908页

作者：刘璇徐强朱时珍北京理工大学

采用放电等离子烧结方法(SPS),在烧结温度为1700℃下,制备出zrb2-sic-B4C复合材料,研究了添加不同量的碳化硼(B4C)对BrB2-sic基陶瓷力学性能和微观组织的影响。结果表明:zrb2-sic-5%B4C(质量分数,下同)材料的高温强度高于zrb2-sic-3%B4... 详细信息

采用放电等离子烧结方法(SPS),在烧结温度为1700℃下,制备出zrb2-sic-B4C复合材料,研究了添加不同量的碳化硼(B4C)对BrB2-sic基陶瓷力学性能和微观组织的影响。结果表明:zrb2-sic-5%B4C(质量分数,下同)材料的高温强度高于zrb2-sic-3%B4C材料的高温强度,两种材料的致密度都在95%左右。加入B4C之后,材料的断裂韧性较未加入B4C材料的高。

关键词：碳化硼 zrb2-sic 力学性能显微结构高温强度

zrb2-sic陶瓷高温氧化机理及力学性能研究

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ZrB2-SiC陶瓷高温氧化机理及力学性能研究

作者：杨曦凝哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超高温陶瓷材料(UHTCs)在国防和航天上发挥着越来越重要的作用,它能够胜任于包括高超声速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行、和火箭推进系统等极端环境,因此它的抗氧化性能是其使用时最重要的参考依据,热化学理论作为一种相对成熟的... 详细信息

超高温陶瓷材料(UHTCs)在国防和航天上发挥着越来越重要的作用,它能够胜任于包括高超声速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行、和火箭推进系统等极端环境,因此它的抗氧化性能是其使用时最重要的参考依据,热化学理论作为一种相对成熟的方法,为研究超高温陶瓷的抗氧化性能提供了一条研究途径。本文利用热化学理论系统的研究了超高温陶瓷的高温氧化机理,探讨了超高温陶瓷高温氧化过程中材料微结构的变化趋势;并利用细观力学理论分析了高温氧化特性对材料力学性能的影响。为了研究超高温陶瓷的高温氧化机理,在1800℃时分别对zrb2+20vol%sic(ZS1)、zrb2+30vol%sic(ZS2)复合材料进行不同氧分压下的高温氧化实验,并且利用热力学计算软件FactSage进行数值模拟,得出了材料的高温氧化机理;探讨了氧化产物含量对表面形态的影响,与氧化后照片吻合;通过对不同sic含量和氧分压的材料进行计算,发现sic含量高对提高材料的抗氧化性能有利,但在低氧分压下由于SiO2的挥发使得这种有利因素不明显;根据氧化产物生成时的氧分压不同,得出了氧化层的示意图,分析出sic耗散层是影响抗氧化性能的薄弱环节,并与材料测试结果进行了比较分析。在反应物与生成物的总质量守恒以及sic耗尽层内的固体相体积不变基础上,描述了sic耗尽层内生成物的体积膨胀以及孔洞的演化随温度的变化规律;把生成相与孔洞视为广义夹杂,通过细观力学的理论预报了sic耗尽层的高温弹性性能的劣化过程,结果表明,衰减主要受相变的控制,初始sic含量越高,生成的孔洞体积分数越大,sic耗尽层的弹性性能衰减也越明显。

关键词：超高温陶瓷 zrb2-sic 高温氧化热化学理论细观力学

zrb2-sic防氧化涂层的制备与性能研究

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ZrB2-SiC防氧化涂层的制备与性能研究

作者：段宇婷西安建筑科技大学

学位级别：硕士

石墨具有耐热性良好、耐腐蚀性佳、导电导热性良好等特性,常应用于冶金、电子、航天等领域。然而石墨高温易氧化的缺点使其在高温环境中的应用受限,Si C防氧化涂层能够在高温环境中有效保护石墨不被氧化。但Si C涂层在1200℃有氧环境中... 详细信息

石墨具有耐热性良好、耐腐蚀性佳、导电导热性良好等特性,常应用于冶金、电子、航天等领域。然而石墨高温易氧化的缺点使其在高温环境中的应用受限,Si C防氧化涂层能够在高温环境中有效保护石墨不被氧化。但Si C涂层在1200℃有氧环境中生成的Si O流动性差,不能及时填补涂层内的缺陷,因此在1200℃时Si C涂层的防氧化性能较差,不能有效保护石墨基体。Zr B因其稳定性良好、熔点高、抗氧化性能优异,常作为第二相对Si C涂层改性,使Zr B-Si C复相涂层具有更加优异的防氧化性能。Zr B在1200℃条件下能氧化生成具有较好流动性的BO,部分BO与Si O熔融生成氧渗透率更低的BO·Si O玻璃相,有效地提高Zr B-Si C涂层在1200℃的防氧化能力。为研究合成Zr B粉体的纯度与微观形貌对Zr B-Si C涂层抗氧化性能的影响,本文以Zr O、BO、C为原料,采用碳热还原法制备Zr B粉体,并研究了原料配比和热处理工艺参数对合成Zr B粉体的物相组成与微观形貌的影响;以Zr B、Si、C、AlO为原料、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)-乙醇溶液为粘结剂、Ar气为保护气体,采用料浆涂刷法在石墨表面制备Zr B-Si C涂层,研究了原料配比、热处理参数对涂层微观形貌和防氧化性能的影响;最后,研究了自制Zr B粉与购置Zr B粉对制备Zr B-Si C涂层的微观形貌和抗氧化性能的影响。主要研究内容与结果如下:(1)在碳热还原反应制备Zr B粉体的过程中,液态BO为原子的快速扩散提供了条件,利于Zr B形核与生长;还原剂C的含量影响碳热还原反应程度,从而影响制备粉体的纯度;锆源Zr O的含量影响制备Zr B粉体的纯度;热处理温度通过影响反应进行程度,从而影响Zr B颗粒粒径;热处理时间影响粉体生长优势取向,进一步影响生成的Zr B颗粒粒径。(2)通过料浆涂刷法制备了220-270μm厚的Zr B-Si C涂层。涂层中的Zr B含量会影响氧化过程中玻璃相的生成量,随着Zr B含量从30.0 wt%升至45.0 wt%,1200℃氧化120 min后,涂层的致密度逐渐提高,涂层试样的失重率逐渐降低;PVB-乙醇溶液浓度能够影响涂层的均匀性与涂层内各组分含量,从而影响涂层的致密度,随着溶液浓度由0.025 g/m L升至0.050 g/m L,1200℃氧化120 min后涂层中的玻璃相逐渐均匀,且失重率逐渐降低;热处理时间影响原位反应生成Si C的结晶度,随着热处理时间由1 h增至4 h,涂层内的Si C颗粒逐渐粗化,1200℃氧化120 min后玻璃相分布均匀性有所增加,失重率逐渐降低后略有升高;(3)自制Zr B粉体制备的Zr B-Si C涂层能够提高涂层的致密度,在氧化过程中涂层组分有更高的反应活性,氧化生成更多的玻璃相与氧化物颗粒,从而提高涂层的热稳定性和防氧化性能,1200℃氧化120 min后涂层失重率为-2.42%;(4)在1200℃氧化环境中,Zr B-Si C涂层氧化生成BO、Si O、BO·Si O、Zr O、Zr Si O;BO与BO·Si O复合玻璃相能够流动填补涂层内的孔洞、裂纹等缺陷,形成致密的氧化物层来隔绝氧气渗入;Zr O与Zr Si O颗粒在玻璃层中的钉扎效应可以提高涂层在高温环境中的稳定性。

关键词：石墨 zrb2-sic 涂层涂刷法防氧化性能