《新型Si-B-C-N-Zr陶瓷基複合材料的製備及其高溫損傷機理》是依託哈爾濱工業大學，由楊治華擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：新型Si-B-C-N-Zr陶瓷基複合材料的製備及其高溫損傷機理
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：楊治華
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
Si-B-C-N系陶瓷材料具有抗氧化性優異、抗蠕變能力強、密度低等優點，因而在航空航天防熱與高溫結構件上極具套用潛力。為進一步提高其使用溫度，本項目擬在Si-B-C-N系陶瓷材料中加入Zr元素，以獲得Si-B-C-N-Zr陶瓷複合材料，該材料體系在1800℃以上高溫應具有良好的抗氧化和耐燒蝕性能。通過研究元素配比、機械合金化工藝參數以最佳化出具有良好熱穩定性能的Si-B-C-N-Zr納米非晶粉末的製備工藝。在此基礎上，經熱壓燒結獲得Si-B-C-N-Zr塊體陶瓷，研究製備工藝、價鍵種類及含量以及非晶態相對含量等因素對其力學、熱物理、抗氧化、耐燒蝕等性能的影響規律，分析其高溫損傷機理。該研究可為該系材料在防熱構件上的套用及最佳化設計提供理論與技術支持，因此具有重要的學術和潛在的工程套用價值。
結題摘要
本項目擬在Si-B-C-N體系中加入Zr元素，一種為通過機械合金化的過程中引入Zr元素，製備納米Si-B-C-N-Zr複合陶瓷粉末，並進一步燒結製備出含有ZrB2/ZrC-SiC-BCN納米晶和非晶結構共同存在的複合陶瓷材料。另一種方法為通過溶膠凝膠的方法引入第二相ZrB2，獲得一種耐高溫、抗氧化性能優異的高溫結構陶瓷材料。 採用機械合金化方法及熱壓燒結方式製備了 Si-B-C-N-Zr 塊體陶瓷。研究表明，原料粉末經高能球磨後實現了非晶化，隨Zr，B含量的增加，粉末非晶度降低。燒結溫度的改變對材料的物相組成，微觀形貌無明顯影響。不同溫度熱壓燒結後陶瓷的含有 SiC，BN（C），ZrB2，ZrN，和少量ZrOx或ZrO2相。Zr，B的含量增加可以提高陶瓷的抗彎強度和維氏硬度，但彈性模量降低。Si-B-C-N-Zr 陶瓷斷裂韌性均較差，在3MPa·m1/2左右。採用溶膠凝膠法結合放電等離子燒結技術製備ZrB2/SiBCN復相陶瓷，復相陶瓷的力學性能和緻密度都有明顯提高，第二相均勻的分散到基體中，斷裂方式主要為沿晶斷裂。Si-B-C-N-Zr 陶瓷在 1100℃，1200℃，1300℃氧化 1h 後，材料的表面物相相同，主要為ZrSiO4，有少量的ZrO2和SiO2。不同溫度氧化以後形貌和截面形貌存在巨大差別，在1100℃和1300℃氧化以後材料表面有液相保護層存在，無空洞出現，1200℃氧化後材料表面有明顯的空洞。Si-B-C-N-Zr陶瓷在1200℃氧化時增重隨時間增加，呈拋物線規律。不同溫度燒結的陶瓷在氧化前 1h 增重差別較大，氧化 5h 後增重接近。隨 Zr，B 含量的增加，陶瓷氧化增重變大，不同工藝製備的粉末燒結的陶瓷在氧化時增重曲線無明顯區別。選取1700℃，1800℃以及1900℃下熱壓燒結後得到的陶瓷進行燒蝕實驗。Si-B-C-N-Zr複合材料燒蝕後表面出現了不同程度上的巨觀裂紋，並且在燒蝕中心出現燒蝕坑。三種不同的溫度燒結得到的複合材料其質量燒蝕率和線燒蝕率別為，1.06×10-5g/mm2·s，4.26×10-6g/mm2·s，1.36×10-5g/mm2·s，0.003 mm/s，0.006 mm/s，0.008mm/s。
