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ZrB_2抗氧化性能提升及其机理研究

张胜辉  
【摘要】:随着航空航天事业的发展和对太空探索的不断追求,超高温陶瓷材料的应用需求日益增大,对超高速飞行器所应用的热防护材料提出了更高的要求。超高温陶瓷材料包括硼化物、碳化物和金属材料等。ZrB_2属于硼化物的一种,具有极强的共价键,熔点高达3040~oC,具有较高的化学稳定性、高热导率和电导率,适应于极端环境,在航空航天领域有广阔的应用前景。但是,在ZrB_2作为热防护材料,在实际应用中易发生氧化从而限制了其应用,因此如何提高ZrB_2的抗氧化性一直是航空航天领域所面临的难题。本文针对ZrB_2高温氧化问题展开主要研究,重点开展对ZrB_2陶瓷粉体、包覆型ZrB_2@MFx陶瓷材料抗氧化性能提升及疏水性能的研究,从而为下一代飞行器所用热防护材料提供技术支撑。本论文主要研究内容如下:(1)根据化学反应合成ZrB_2的方程,计算出合成ZrB_2的化学反应理论温度为1509~oC,在制备ZrB_2的起始原料中,添加不同量的氟化物,使其在高温状态下形成熔融状态的玻璃相包覆在生成物ZrB_2的表面(简称ZrB_2@MFx),形成稳定的保护层,形成稳定的“保护层”能够有效地隔绝空气中的氧扩散进入ZrB_2陶瓷材料内部,从而提高ZrB_2在700~oC~1200~oC温度段的抗氧化性能;(2)高温抗氧化性和水解性能,研究200~oC~1400~oC温度段变化范围内,制备的包覆型ZrB_2@MFx陶瓷粉体高温氧化行为变化,探究合成ZrB_2起始原料中氟化物的添加量对制备包覆型ZrB_2@MFx陶瓷粉体高温抗氧化性能提升的实质贡献,解释ZrB_2@MFx陶瓷材料高温条件下微观形貌、物相变化,构建包覆型ZrB_2@MFx陶瓷粉体高温抗氧化机理模型,结合ZrB_2的亲水特性和氟化物的疏水特性,探究制备的ZrB_2和ZrB_2@MFx两种粉体经200~oC水热处理条件下材料的疏水性能;(3)ZrB_2@MFx涂层制备及性能表征,采用等离子喷涂技术,根据制备包覆型ZrB_2@MFx陶瓷粉体的最佳合成工艺,将ZrB_2@MFx陶瓷粉体制备成涂层,系统研究等离子喷涂工艺如喷涂功率、送粉速率、涂层厚度、晶粒大小和微观形貌等对涂层性能的影响,探究不同氟化物掺杂量对制备ZrB_2@MFx涂层的抗氧化性和疏水性能的影响。


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