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ZrB_2基超高温陶瓷的高温烧蚀行为研究

陆颖  
【摘要】:ZrB_2基超高温陶瓷(Ultra-High Temperature Ceramics,UHTCs)是近空飞行热防护系统和超燃冲压发动机防热组件的候选材料,但单相ZrB_2陶瓷的高温烧蚀行为难以满足超高温极端环境的应用要求。目前通过添加SiC、ZrC和WC等碳化物,可有效改善ZrB_2基陶瓷的高温抗烧蚀性能。本文以ZrB_2基超高温陶瓷体系为研究对象,通过热力学计算绘制挥发相图,预测该体系的氧化层结构,并探讨了ZrC和WC提升ZrB_2-SiC陶瓷高温抗烧蚀性能的机理。同时利用氧乙炔焰烧蚀实验,结合材料的高温热导率和恒压热容等热学性能深入研究了ZrB_2基陶瓷稳定烧蚀阶段的温度场和热应力场。此外,本文还分别通过反应热压烧结和热压烧结制备了组分相同而微结构不同的ZrB_2-ZrC-SiC陶瓷,研究了不同微结构的形成机理以及其对材料高温烧蚀行为的影响。具体内容如下:1)通过热力学计算,分析了体系内部各物相之间的反应、固溶等作用对绘制ZrB_2基体系挥发相图的影响。并通过实验验证了利用挥发相图预测体系烧蚀后氧化层结构的可行性。同时,结合挥发相图以及实验结果,探讨了ZrC和WC相提升ZrB_2-SiC陶瓷高温抗烧蚀性能的机理。在ZrB_2-SiC-ZrC体系中,ZrC相最先被氧化,消耗氧化层中扩散渗入的O_2,直至ZrC耗尽为止,ZrB_2和SiC相才开始发生氧化;而Zr B_2-SiC-WC体系中,含W相的存在可以形成液相促进同层ZrO_2相的烧结,形成致密的氧化层以减少氧扩散机率,进而保护内部陶瓷,即烧蚀过程中的自愈合机制。2)结合稳定烧蚀时样品表面的最高温度,通过模拟样品稳定烧蚀时的温度场,分析了SiC和ZrC对样品烧蚀过程中的内部温度分布的影响。添加SiC相可以有效降低ZrB_2陶瓷稳定烧蚀时的表面温度以及使得内部温度分布更为趋向均匀化。ZrB_2-20 vol%SiC样品在4.5 MW/m~2的热流密度环境下稳定烧蚀时,其表面最高温度为1355℃,相对于ZrB_2样品降低了51℃。对于ZrB_2-Si C基陶瓷,当ZrC的体积含量增大时,其表面温度和内部温度梯度变大。ZrB_2-20 vol%Si C-20 vol%ZrC样品在4.5 MW/m~2的热流密度环境下稳定烧蚀时,其表面最高温度相对于ZrB_2-20 vol%SiC样品增大了76℃。3)从样品在烧蚀过程中的热应力场角度分析,Si C的添加可以降低样品整体的热膨胀系数,使得因温度梯度而产生的热应力减小,而ZrC的添加则相反。但是从样品各相的热膨胀系数差角度分析,Si C的添加则会产生更大的热应力,进而诱导产生更多的微裂纹。从自愈合机制角度分析,SiC的添加理论上增强了ZrB_2样品自愈合机制的作用。同时结合材料在3和6 MW/m~2的热流密度环境下稳定烧蚀5 min后剩余强度均表现出一定程度上的提升,自愈合机制占主导地位;而在9 MW/m~2的热流密度环境下稳定烧蚀5 min后剩余强度均表现出降低,热应力诱导生产微裂纹占主导地位。此时,ZrB_2样品能够更好地保持剩余强度(剩余强度与初始强度比值σ_(fab)/σ_(f0)=80%),而ZrB_2-20 vol%SiC-5 vol%ZrC和ZrB_2-20vol%Si C-10 vol%ZrC样品保持剩余强度的能力最差(σ_(fab)/σ_(f0)=23%)。4)本文还利用反应热压烧结过程中的自蔓延高温合成调节ZrB_2-ZrC-SiC陶瓷材料的微结构。将原料粉体Zr、B_4C和SiC通过反应热压烧结制备ZrB_2-SiC-ZrC陶瓷,当SiC的体积含量小于20 vol%时,体系会发生自蔓延高温合成。自蔓延高温合成释放的瞬时高热量和诱导产生的高气压,将部分细小颗粒的Zr粉熔化成液滴并施压成片状,且这些液态Zr的反应活性也变大。而在此同时,ZrC已开始形核,故而B_4C中的C会优先进入这类Zr中形核,随着反应的进行,最终呈“微片层”分散在基体中。5)通过反应热压烧结制备的ZrB_2-ZrC-10 vol%SiC样品,在低热流密度下的烧蚀行为也呈现各向异性,不同微结构的样品在4.5和7.5 MW/m~2下稳定烧蚀时表面最高温度差分别为80和198℃。而在10和12.5 MW/m~2的高热流密度下的烧蚀行为没有明显的各向异性,稳定烧蚀时表面最高温度差在30℃以内。而热压烧结制备的ZrB_2-ZrC-10 vol%SiC样品的烧蚀行为未呈现出各向异性。


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