《Zr2[Al(Si)]4C5基復相陶瓷的抗氧化機制研究》是依託哈爾濱工業大學，由陳貴清擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Zr2[Al(Si)]4C5基復相陶瓷的抗氧化機制研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陳貴清
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本課題基於前期研究結果，深入研究Zr2[Al(Si)]4C5陶瓷的氧化機制及影響Zr2[Al(Si)]4C5陶瓷氧化行為的關鍵因素，通過對Zr2[Al(Si)]4C5基復相陶瓷材料體系的最佳化設計，如添加第二相（如SiB6）以提高其抗氧化能力。具體工作包括： （1）通過合理設計Zr2[Al(Si)]4C5碳化物陶瓷材料體系組份，最佳化其微結構以提高抗氧化能力；（2）通過深入研究陶瓷材料的氧化行為，分析氧化熱力學與動力學，揭示高溫條件下材料的氧化機理，探尋抑制氧化的有效途徑；（3）在氧化條件下，研究預氧化處理、添加物的成分和含量、微結構對氧化性能的影響；（4）通過綜合研究陶瓷材料的力學和熱學性能，分析氧化特性和機制，提出改善材料抗氧化能力和提高材料高溫使用性能的方法，以滿足高溫服役要求。
結題摘要
三元層狀碳化物和氮化物陶瓷具有一系列優異的特點，如密度低、成本低、模量高等，從而擁有廣闊的套用前景。本課題採用兩步燒結的方法製備Zr2Al4C5-SiC-SiB6三相複合陶瓷，第一步以碳化鋯粉、鋁粉、炭黑粉為原料利用固液反應-原位合成法製備Zr2Al4C5三元陶瓷材料；第二步燒結選用SiC、SiB6顆粒為第二相和第三相，熱壓燒結製備了Zr2Al4C5-SiC-SiB6三相複合陶瓷，並採用現代分析手段對該複合陶瓷的相關性能進行了研究。 首先，在1700℃下保溫60min採用無壓燒結工藝製備Zr2Al4C5三元陶瓷；然後加入20vol.%SiC和不同體積比例的SiB6，在1800℃下保溫60min採用熱壓燒結工藝製備Zr2Al4C5-SiC-SiB6三相複合陶瓷，燒結工藝參數為30Mpa壓力和氬氣保護。研究發現，隨著SiB6顆粒引入量的增加，陶瓷的緻密度和力學性能均呈現增加趨勢，材料的室溫彎曲強度和斷裂韌性最大能達到554Mpa和5.70MPa m1/2。增韌機制為裂紋偏轉及裂紋分叉。 其次，探究了材料的裂紋彌合能力。實驗結果表明，添加SiB6的三相複合陶瓷在空氣中進行中低溫預氧化處理，能夠有效提高材料的室溫彎曲強度。 再次，對三相複合陶瓷的抗氧化性能進行了研究，研究發現SiB6可以提高材料在1000-1200℃時的抗氧化性能。添加8vol.%SiB6的三相複合陶瓷具有最好的抗氧化性能。 最後動力學分析結果表明，單純的Zr-C、Al-C二元體系的合成動力學過程難以實現，在三元體系Zr-Al-C中存在著兩個非常重要的反應階段：其一為Al熔點附近，其二為1000℃-1400℃這個相當寬化的溫度範圍。在Al熔點附近主要發生的實際是二元反應Zr-Al，與單純的Zr-Al二元體系很相似，經歷了如下動力學實現過程：Zr-Al固相擴散過程→三維界面反應→Zr-Al二元化合物形核過程，充分反應條件下該總包反應主要受到Avrami形核過程控制。1000℃-1400℃是三元化合物Zr3Al3C5與少量Zr2Al3C5生成階段，該階段與對應的二元系有很大不同，由於液態Al的參與使得反應勢壘下降，尤其在1144℃左右反應速率大增，整個過程由三元化合物的形核控制反應。
