收藏本站
《哈尔滨工业大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

硼化锆基超高温陶瓷材料的组织结构及热冲击性能研究

王裕  
【摘要】: 近年来随着航天航空工业的迅速发展,以高超声速、长时间服役、高机动和远距离精确打击为主要技术特征的高超声速武器已成为世界各国军事研究和发展的热点,高超声速、长时间服役的特征对防热材料提出了严峻的挑战,要求材料必须具有优异的耐温极限、抗氧化烧蚀性能、抗热冲击性能和轻质强韧的特点,因此开发应用于恶劣工作条件下的新型高温结构材料变得极为迫切。 目前对能够胜任极端环境下使用的超高温陶瓷材料的研究,主要集中在过渡金属的硼化物和碳化物上,其中ZrB_2因具有较低的相对密度、高熔点、高硬度和良好的导热性等特点而在高温结构陶瓷材料领域中得到了广泛的关注;国内外大量研究者进一步研究发现ZrB_2-SiC基的陶瓷材料比单纯ZrB_2又具有更好的综合性能,但材料的抗热冲击性能及材料在热力耦合下的失效评价,是目前仍需进一步深入研究的主要问题。 本文首先针对ZrB_2-SiC陶瓷低韧性的特点,添加了10%的AlN,显著改善ZrB_2-SiC陶瓷材料的烧结性能和致密度,使得材料的弯曲强度、断裂韧性和热容有较大的提高,但是硬度、热导率和热扩散系数降低。对于相同组分的ZrB_2-SiC-AlN陶瓷材料,选择初始细晶粒粉末材料可以在热物理性能(热容、热导率和热膨胀系数)基本保持不变的情况下,进一步提高烧结致密度,提高材料的硬度、弯曲强度和断裂韧性;同时由于断裂韧性的极大提高,细晶粒的ZSA-2陶瓷材料的裂纹扩展阻力曲线也大于ZSA-1陶瓷材料,但是当裂纹尺寸接近或大于0.4mm后ZSA-2陶瓷材料的KR曲线下降比ZSA-1材料快,说明细晶粒陶瓷材料在小裂纹尺寸时,对裂纹的扩展阻力更明显。 通过高分辨电子显微镜(HRTEM)详细分析了ZS和ZSA陶瓷材料中各相的晶体结构和各相之间的界面结构、存在状态和界面取向关系,界面结构的研究对超高温陶瓷材料的高温性能影响很大。HRTEM分析表明该陶瓷材料体系中,多型体SiC主要都以6H结构存在,内部存在大量的堆垛层错和缺陷,ZrB_2基体中存在大量的位错和缺陷;各组成相之间的界面都很纯净,没有发生化学反应,也没有发现玻璃相或其他过渡相的存在;ZrB_2/SiC或ZrB_2/AlN之间不存在明显的取向关系,AlN的[001]方向和SiC的[010]方向经过微小的调整后易于平行生长。另外,根据界面结构的特点,确认了ZS和ZSA陶瓷材料的烧结过程主要是固相烧结,其烧结致密化主要是靠热压外力作用下粉末粒子相互靠拢、重排、键合、塑性变形,及晶体滑移和塑性蠕变流动传质等来实现的。 通过淬火-强度法研究了两种ZrB_2-SiC-AlN陶瓷的抗热冲击性能,发现由于细晶粒陶瓷ZSA-2断裂韧性的极大提高,所以其抗热冲击临界温差高于粗晶粒陶瓷ZSA-1;研究还发现热冲击对材料断裂韧性的影响并不显著。不同厚度试样热冲击的实验和理论研究表明,随着平板试样厚度的增加,材料热冲击开裂的临界温差逐渐降低;试样越薄,这种趋势越明显,当试样的厚度增大到一定程度后,厚度对热冲击开裂临界温差的影响变得很小。此外,通过压痕-淬火法研究了ZSA-1和ZSA-2陶瓷材料抗热冲击过程中裂纹扩展百分率随淬火温差的变化,来表征材料抵抗热裂纹扩展的能力,研究表明:低温差下裂纹不发生扩展,温差在160-400℃时,裂纹随着淬火温差的增加而缓慢扩展,当温差高于400℃时裂纹发生失稳扩展;并建立了相应的理论模型进行了分析,和实验结果吻合较好。 针对压痕预制裂纹在氧化环境下的弥合过程,研究了预制裂纹的ZrB_2-SiC-AlN陶瓷材料在1000℃下氧化后,材料强度随氧化时间的变化。发现氧化对裂纹弥合具有很明显的效果,即使氧化很短时间,由于氧化对裂纹尖端的钝化,材料的强度都能发生明显的提高,随着氧化时间的增加,表面氧化层逐渐变厚,而且越来越致密,剩余强度越来越高,当氧化时间达到60min后,试样的表面最致密,强度达到最大值,然后继续增加氧化时间时,表面氧化层结构变得不致密,而且内部也出现了更疏松的过渡层,所以氧化后材料的强度开始下降。 通过数值模拟分析了ZSA陶瓷材料的单向和三向热冲击过程,给出了材料热冲击过程中的温度和热应力分布。根据压痕预制裂纹的横截面形貌,确定了初始裂纹的形状,并据此建立了相应的模型,计算了裂纹前沿不同位置的J积分和应力强度因子K,并根据J判据和K判据给出了裂纹开始扩展的临界温差,与实验结果吻合较好。然后基于内聚力模型模拟了压痕预制裂纹在不同热冲击温差下热冲击后的裂纹扩展情况,计算了裂纹的扩展百分率;根据不同热冲击温差下热冲击后,试样内部的应力分布情况,得出了不同热冲击温差下试样内部的热应力的影响深度,并据此引入了一个热应力影响深度系数参数,对有限元计算结果进行了修正,修正后的计算结果与实验结果误差水平在可接收范围之内。 根据实际压痕裂纹的形状和尺寸,建立了相应的模型,分析了ZSA陶瓷材料在热冲击及热冲击和拉、剪共同作用下,表面裂纹和内部裂纹的耦合扩展过程;分析了不同内部裂纹取向,在不同载荷工况下和表面裂纹交互作用的扩展方式,给出了多种载荷工况下材料的主要失效模式。进一步通过扩展有限元技术分析了材料内部含第二相颗粒时,表面预制裂纹在热冲击及热冲击和拉、剪共同作用下的裂纹扩展情况,结果表明:在很大的热冲击载荷作用下,裂纹主要沿直线扩展;在热冲击和拉伸耦合作用下,裂纹穿过SiC颗粒发生穿晶扩展;在热冲击和剪切耦合作用下,裂纹趋于沿着ZrB_2/SiC两相界面发生沿晶扩展。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB35

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;一种新型透明陶瓷材料研发成功填补我国特种材料领域空白[J];稀土;2011年03期
2 ;纳米陶瓷[J];技术与市场;2011年07期
3 王小芳;;分析化学在陶瓷材料检测方面的应用[J];山东陶瓷;2011年02期
4 王珉;艾兴;赵军;刘维民;;陶瓷材料烧结过程晶粒生长的元胞自动机模拟[J];人工晶体学报;2011年03期
5 ;纳米陶瓷技术是解决陶瓷脆性战略途径[J];现代技术陶瓷;2011年02期
6 陈国典;;从吉州窑的陶瓷材料看传统陶瓷工艺[J];江苏陶瓷;2011年03期
7 冯颖;李夏;于琦;孔永刚;;轴承用陶瓷材料的制备新工艺[J];轴承;2011年09期
8 孙莹;于庆波;;低碳钢的解理断裂机理及微观形貌分析[J];昆明理工大学学报(自然科学版);2011年04期
9 薛河;薛晓峰;唐伟;赵凌燕;龚晓燕;;镍基合金应力腐蚀裂尖氧化膜力学特性分析[J];稀有金属材料与工程;2011年07期
10 杨立军;张宏志;吴雪峰;王懋露;王扬;;应用加热软化和应力效应的激光加工技术[J];红外与激光工程;2011年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 富东慧;侯振德;秦庆华;卢晨霞;;骨裂纹尖端压电研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
2 唐敏注;;精密陶瓷與複合材料[A];2010年海峡两岸功能性复合材料论坛论文集[C];2010年
3 李范春;;动态扩展裂纹尖端粘塑性场的研究[A];西部大开发 科教先行与可持续发展——中国科协2000年学术年会文集[C];2000年
4 钟红刚;钟红刚;钱民全;钱民全;;显微骨折裂纹尖端微纤维桥接与载荷挠度曲线后坡相关研究[A];2008年全国生物流变学与生物力学学术会议论文摘要集[C];2008年
5 唐竹兴;杨秋菊;杨晴晴;赵霞;田贵山;;MoSi_2对注凝成型HfB_2超高温陶瓷材料性能的影响[A];复合材料:创新与可持续发展(上册)[C];2010年
6 张燕;李湘祁;陈琼霞;汤德平;;低介硅酸锌陶瓷材料的新型低烧合成方法[A];《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年
7 耿福明;李永顺;刘娟;许洪元;罗先武;;固液泵用金属材料和陶瓷材料的冲蚀磨损对比分析[A];水轮机抗磨蚀技术研讨会论文集[C];2006年
8 覃承彬;岳振星;桂治轮;李龙土;;(CaNi)TiO_3陶瓷材料的相结构与介电性能研究[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年
9 周世平;李龙土;张孝文;;钛酸锶铅陶瓷材料的阻温性特研究[A];首届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1992年
10 杨祖培;高峰;周欣山;田长生;;含铅弛豫铁电陶瓷的制备技术[A];第三届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1998年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 胡永兴;俄研制出金属陶瓷材料[N];广东建设报;2004年
2 施剑林;先进陶瓷材料引人关注[N];中国化工报;2005年
3 闫明星 本报记者 赵宇清;陶瓷材料应用航天写下佳话[N];黑龙江日报;2009年
4 刘星;智能陶瓷材料展望[N];中华建筑报;2001年
5 文华;智能陶瓷材料展望[N];中国建材报;2002年
6 陶佳;美国用激光加工陶瓷材料[N];中国有色金属报;2002年
7 任干生;纳米电子陶瓷材料面市[N];中国电子报;2000年
8 董伟强 杨志奇;国家级陶瓷材料工程技术研究中心申报成功[N];中国建材报;2006年
9 周秀娟 刘心宇;电工合金行业 期待好年景[N];中国工业报;2005年
10 宗成;高性能纳米陶瓷材料开发成功[N];中国化工报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王裕;硼化锆基超高温陶瓷材料的组织结构及热冲击性能研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
2 王裕;硼化锆基超高温陶瓷材料的组织结构及热冲击性能研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 郭宝科;移动载荷作用下层状介质中裂纹的动态响应问题研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 郭宝科;移动载荷作用下层状介质中裂纹的动态响应问题研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 折勇;直角域中圆形夹杂与裂纹反平面动力的相互作用[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 刘艳萍;焊接桥梁钢疲劳裂纹扩展行为研究[D];华中科技大学;2010年
7 闫德俊;高速列车底架用铝合金焊接接头疲劳裂纹扩展特性[D];哈尔滨工业大学;2011年
8 张飒;PLZT铁电陶瓷畴变的原位Raman光谱观测[D];厦门大学;2006年
9 张学义;SH波作用下复合缺陷问题研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
10 孙艳玲;木材裂纹尖端区域应力场的数值分析和测试[D];北京林业大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵楠;陶瓷磨削加工性系统研究[D];天津大学;2007年
2 杨劲松;裂纹尖端应力应变场的数值模拟及分析[D];大连理工大学;2012年
3 滕项铭;裂纹尖端疲劳塑性区研究[D];上海交通大学;2011年
4 赵丹;核电结构材料应力腐蚀裂纹尖端应力应变分析研究[D];西安科技大学;2011年
5 周荣欣;裂纹与夹杂之间的构型力及Ⅱ型裂纹裂尖塑性区的屏蔽效应[D];上海交通大学;2012年
6 孙世超;有限元模型下航天气瓶裂纹过载控制研究[D];沈阳大学;2012年
7 锁永永;对压力管道上几种典型裂纹形式力学特性的数值模拟分析[D];兰州大学;2012年
8 郑文炜;含三维预置裂纹岩石破坏行为研究[D];清华大学;2011年
9 王亚娟;CaCu_3Ti_4O_(12)基陶瓷的电流—电压非线性特征及改性研究[D];陕西师范大学;2011年
10 郑安兴;基于XFEM的重力坝裂纹开展数值分析研究[D];昆明理工大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026