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《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》 2019年
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SiC-ZTA/ATZ复相陶瓷的增韧优化及抗氦辐照性能研究

柴建龙  
【摘要】:以α-Al_2O_3、ZrO_2和β-SiC粉体为原料,通过放电等离子烧结(SPS)制备了ZTA20wt%(ZrO2体积含量为20%)、ATZ80wt%(ZrO2体积含量为80%)、SiC20v.%-ZTA20wt%以及SiC20v.%-ATZ80wt%复相陶瓷。在此基础上运用多种手段对陶瓷的常规性能包括力学性能、热学性能进行了分析研究并研究了不同的制备参数对复相陶瓷性能的影响;根据材料的服役环境选定了适当的辐照条件对材料的抗辐照性能进行了评估,主要结论如下:1.微观结构研究:XRD结果表明:ZTA和ATZ陶瓷中仅存在α-Al2O3、ZrO2;添加SiC的复相陶瓷中仅存在α-Al2O3、ZrO2和β-SiC,不存在其余杂相,说明β-SiC在烧结过程中具有化学稳定性。SEM结果显示:适量的SiC的加入可以抑制基体晶粒的长大,起到细化晶粒的作用,断裂韧性较高时在复相陶瓷以穿晶断裂为主。2.力学性能研究:SiC-ATZ80wt%复相陶瓷的弯曲强度随SiC含量的增加从992MPa降到761MPa,主要是因为添加相SiC与基体之间的热膨胀失配现象引入热应力,致使基体与SiC之间的收缩度不同影响其强度;另外,当SiC分布在晶界时,原子以及空位沿着晶界的扩散路径大于SiC的粒径使得沿晶界的扩散变得缓慢,因而强度下降。而对于SiC-ZTA20wt%系列复相陶瓷的弯曲强度则先增大后减小,主要是由于SiC添加量较高时,颗粒团聚,连接成片对基体晶粒的抑制作用减弱导致的。在复相陶瓷中,SiC加入后由于其颗粒的阻碍作用使裂纹在尖端偏转、桥连作用有效的增加了复相陶瓷的断裂韧性;ZrO2颗粒的高韧性以及其与基体之间的相互作用使得ATZ80wt%系列的断裂韧性较ZTA20wt%系列的高。3.热学性能研究:复相陶瓷的热扩散系数和热导率与SiC含量成正比,与ZrO2含量成反比,从室温~100℃,复相陶瓷的比热容随温度升高速率较快,之后逐渐减缓,温度升高导致声子平均自由程减小,导热系数减小。4.SiC20 v.%-ZTA20wt%抗辐照性能研究:2.0 MeV He离子在所有SiC20v.%-ZTA20wt%样品中从表面至损伤峰值区均产生了大量氦泡,但存在部分无氦泡区域。当辐照损伤为50dpa时,样品中掺杂峰值区(3.8-4.1μm)氦泡尺寸要明显大于前端损伤区域(0-3.8μm),且前端区域内氦泡尺寸和密度随深度无明显5.差异;相同深度下,温度为800℃时,损伤水平为50dpa样品中氦泡的尺寸要明显大于损伤水平为5dpa的样品,表明入射He离子剂量越高,越容易聚集长大;相同深度下,损伤水平为50dpa时,800℃辐照样品中氦泡的尺寸要明显大于常温下辐照样品中氦泡的尺寸,表明高温能够促进氦泡生长。6.抗辐照性能对比:相同辐照参数下,SiC20 v.%-ZTA20wt%中氦泡的尺寸要明显小于ZTA20-wt%中氦泡的尺寸,同时在金相显微镜下观察到SiC20v.%-ZTA20mo%l样品的表面未发生剥落。表明添加SiC后,SiC-ZTA复相陶瓷抗He离子辐照能力有所增强。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TQ174.1

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