《ZrC基陶瓷中納米相的析出行為與機理及對性能的影響》是依託哈爾濱工業大學，由王玉金擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：ZrC基陶瓷中納米相的析出行為與機理及對性能的影響
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王玉金
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
碳化鋯陶瓷具有高熔點、高硬度、高模量、高電阻率，優異的熱穩定性和化學穩定性等特點在超高速飛行器、第四代核反應堆等諸多領域有廣泛的套用前景，但難燒結、力學性能差的缺點限制了其套用。本項目提出在ZrC中引入鎢，採用固溶時效方法獲得晶內自生納米相提高力學性能的新思路。利用ZrC為非化學計量化合物的性質以及W在ZrC中的固溶度隨溫度變化的特點，根據過飽和固溶體脫溶析出的原理，採用反應燒結與後續高溫固溶時效處理相結合的工藝，實現富W相納米顆粒在ZrC晶粒內的彌散析出，獲得ZrC晶內自生納米相強韌化ZrC基陶瓷；並系統研究成分、燒結溫度和熱處理工藝對材料微觀組織和力學性能的影響規律，揭示納米相的相變過程、析出機理及強韌化機制，最終獲得性能優異的ZrC基陶瓷。本項目的完成將豐富納米陶瓷的強韌化理論，為陶瓷基複合材料的最佳化設計和強韌化提供新的思路，為開發高溫高強材料開闢新的途徑。
結題摘要
本項目旨在提高新一代超高溫ZrC陶瓷材料體系的力學性能，提出了利用固溶時效的方法獲得晶內自生納米相的思想。採用反應燒結與後續高溫固溶時效處理相結合的工藝，獲得了結構緻密、組織均勻、性能優異的ZrC-W和ZrC-Nb複合材料，並系統研究了成分、燒結溫度和固溶時效處理工藝對ZrC-W複合材料物相組成、微觀組織和力學性能的影響規律。 研究成果表明：對於ZrC-W及ZrC-Nb複合材料，均存在W/Nb向ZrC晶格擴散，形成（Zr,W）C或（Zr,Nb）C固溶體的現象，球磨過程中引入的Fe在促進複合材料緻密化的同時，可以有效提高固溶體中W/Nb的固溶量，在1900℃時，Nb在ZrC中的固溶度為33.3mol%，遠高於相圖的理論結果（20mol%）；隨W/Nb含量的增加，複合材料抗彎強度和斷裂韌性增大，ZrC-W複合材料的抗彎強度和斷裂韌性分別達到541MPa和8.8 MPa•m1/2，ZrC-Nb的則分別為295MPa和5.30 MPa•m1/2；第二相W/Nb的加入可以促進燒結，有效抑制ZrC晶粒長大，起到細晶強化作用。高溫固溶處理可以進一步促進複合材料的緻密化，隨著固溶處理溫度的升高和時間的延長，W在ZrC中的固溶量增大，最大固溶度接近10mol%，ZrC固溶體的點陣常數從0.46480nm降低到0.46396nm。由此確定了ZrC中W的固溶量與ZrC固溶體點陣常數的線性變化關係，直線的斜率為-1.0×10-4nm/at%W。純相（Zr,W）C固溶體研究表明，相比於純ZrC陶瓷，（W,Zr）C固溶體陶瓷的力學性能大大提高，其硬度、抗彎強度和斷裂韌性分別為：17.7GPa、369MPa和6.3MPa•m1/2。W-ZrC和W-NbC複合材料體系的氧化性能測試結果表明，複合材料低溫（900℃和1100℃）氧化過程由反應控制，而高溫（1300℃）氧化過程由擴散控制；通過對比氧化增重曲線及氧化層厚度，得到各材料高溫抗氧化性分別為W＞W-NbC＞ZrC＞NbC＞W-ZrC。 本項目的實施為陶瓷基複合材料的最佳化設計和強韌化提供新的思路，為製備純相固溶體材料提供新的方法，為開發高溫高強材料提供新途徑，同時對TiC基、WC基等難熔金屬碳化物的強韌化研究也將有借鑑意義。
