《ZrB2-SiC的非化學計量比活化燒結的設計及其機理研究》是依託北京航空航天大學，由李銳星擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：ZrB2-SiC的非化學計量比活化燒結的設計及其機理研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：李銳星
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
建立在金屬材料體系上的傳統雙相粉末冶金燒結理論，在解決金屬燒結問題時已經很成熟，但套用到陶瓷中，雖取得很大進展，卻因化合物與金屬的化學性質截然不同而面臨新挑戰：特別是金屬的雙相觀點，陶瓷必須遵循嗎？儘管非化學計量比活化燒結(NSAS)現象早已被陶瓷界所認識，但作為陶瓷的特色理論，沒有被系統的歸納和提出。本項目基於申請人歸納的NSAS理論（Chem.Mater.2006,18,273），以ZrB2-SiC復相陶瓷為研究對象，側重燒結助劑的設計與選擇，創新性的提出採用Ti作為助劑，燒結時原位生成Ti3SiC2高溫韌性相，並在氧化氣氛下材料表面形成高黏度矽酸鹽玻璃相，提高抗氧化性；然後再引入助劑Ta2O5，在製造晶格缺陷的同時，還可通過抑制氧在晶格內的傳遞提高抗氧化性。即藉助Ti和Ta2O5，在活化燒結的同時，使得ZrB2-SiC的抗氧化性和強韌性得以協同調控，並進一步完善NSAS理論。
結題摘要
該項目已超額完成了預期的研究內容：不僅對ZrB2-SiC非化學計量比活化燒結進行了深入研究，而且對目前國內貨源不穩定的、必需的ZrB2粉末開展了系統研究，已發表論文13篇，其中SCI收錄11篇，國際期刊11篇；此外還有1篇SCI論文已接收，6篇正在投稿中。授權發明專利5項，另外還有5項正在申請中。參加7個國際會議（其中4個在國外）；培養2名博士、5名碩士生畢業。 本研究主要開展了固相法合成ZrB2粉末、溶膠-凝膠法合成納米ZrB2粉末及其形貌控制的研究以及ZrB2基陶瓷非化學計量比活化燒結及其力學性能的研究。 首先，將納米碳粉引入ZrO2–B二元體系，實現了低溫固相反應合成ZrB2粉末，該體系目前尚未見到其它報導。採用三種亞穩態固體原料：納米水合氧化鋯、無定形硼粉和納米碳粉。其中後兩種粉末外購，水合氧化鋯自行合成的：採用反向化學沉澱法在室溫下合成。當不加入納米碳粉時，在1550 ˚C下依然殘留ZrO2。而引入5 wt.%納米碳成功合成了單相ZrB2粉末。 本研究還使用正丙醇鋯、蔗糖、硼酸和醋酸四種原料，藉助溶膠-凝膠和碳熱還原法成功合成了納米ZrB2粉，該反應體系迄今未見到國內外報導。然後又實現了ZrB2粉末的形貌控制。與國外的研相比，首先原料從七種減少到四種，使得合成流程由兩條變為一條。其次團聚減輕，尺寸由200降到62 nm。另外還分別合成了ZrB2-SiC和ZrB2-TiB2複合粉末。 最後，在前期工作的基礎，通過設計非化學計量比ZrB2分子式，生成Zr1-xW4x/5vx/5B2或Zr1-xWxvx/4B2+x/2（v：空位），在陽離子結點上生成空位，後者還有陰離子間隙。我們知道，ZrB2晶體中硼離子的半徑很小，控制擴散的主導因素是尺寸大的陽離子。 首先通過共沉澱方法合成鎢鋯水合前驅體粉末，在制粉之初，鋯、鎢離子就高度均勻混合，然後其與納米碳粉、非晶硼粉、納米碳化矽粉末按一定比例混合，實現ZrB2基陶瓷1800 °C非化學計量比活化燒結。 分析表明鎢離子已經摻入ZrO2並獲得非化學計量比化合物Zr1-xW2x/3vx/3O2或Zr1-xWxvx/2O2+x，形成了陽離子空位，後者還有陰離子間隙。其穩定溫度由400提高至600 °C，有利於非化學計量燒結。實驗表明：W:Zr (mol.)=0.05時陶瓷具有最佳力學性能，此時鎢離子的固溶度接近飽和。
