ZrB2基陶瓷高溫材料

1、ZrB基陶瓷高溫材料2材料要求性質(zhì)：1）、工作溫度T$1300（C；2）、強(qiáng)度要求，抗拉強(qiáng)度大于1500MPa，抗壓強(qiáng)度大于2500MPa；3）、在工作溫度下，具有優(yōu)秀的抗氧化、抗腐蝕性能；4）、抗熱振性及熱疲勞性能良好；5）、其脆性低于硬質(zhì)合金。前言：陶瓷材料是金屬和非金屬元素間的化合物，最具代表性的陶瓷材料大多是氧化物、氮化物和碳化物，比金屬和高分子更耐高溫和腐蝕性環(huán)境。其中以ZrB2基的陶瓷材料具有高熔點(diǎn)、高硬度、高導(dǎo)熱率、好的抗熱震性、中等的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良的性能，因此是理想的高溫材料。但其高溫下抗氧化性較差，相對強(qiáng)度不高，使其使用受到限制。采用SiC作為彌散第二相可以有效的提高其高溫

2、力學(xué)性能和抗氧化性能。一、材料組元及結(jié)構(gòu)基體相為ZrB2，第二相為SiC。比例為4：1。材料為六方結(jié)構(gòu)，SiC第二相為細(xì)晶均勻分布在基體內(nèi)。選材理由1）、ZrB2基體z上圖為Zr-B二元相圖,從圖中可以看出Zr與B能形成多種化合物，有ZrB,ZrB2,ZrB12等，其中以ZrB2最為穩(wěn)定。ZrB2屬六方結(jié)構(gòu),ZrB2的晶格常數(shù)a=0.3169,c=0.3530,B為主族元素，外層電子是2s22p2；Zr為副族元素，外層電子為5s24d2，因ZrB2同時(shí)擁有金屬鍵和共價(jià)鍵，故其具有陶瓷和金屬的雙重性。因此ZrB2陶瓷具有熔點(diǎn)、硬度高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，且抗鋼水腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。但是，它在高溫時(shí)易氧化生成b

3、2o3，因此抗氧化性較差，同時(shí)其高溫強(qiáng)度有限，這使其的應(yīng)用受到限制。2)、SiC第二相在ZrB2材料中可引入SiC相以彌補(bǔ)ZrB2高溫抗氧化性能不好、強(qiáng)度不高的缺點(diǎn)。、SiC第二相的選擇依據(jù)：a與基體之間的化學(xué)相容性和共存性。第二相SiC與基體ZrB2之間具備良好的相界面結(jié)合強(qiáng)度；同時(shí)SiC與ZrB2之間具有相對的化學(xué)穩(wěn)定性，相互之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和互溶現(xiàn)象，由此SiC和ZrB2能保持各自的優(yōu)勢。b與基體之間的物理匹配性與強(qiáng)化性。SiC的彈性模量(3.43X105Pa)與基體ZrB2的(3.87X105Pa)相當(dāng)，而SiC的熱膨脹系數(shù)(4.7X10-6C1)小于ZrB2的熱膨脹系數(shù)(5.9X1

4、0-6C1),因此具備良好的物理匹配性，并能增加材料的韌性。c.SiC可降低燒結(jié)溫度下圖為ZrB2-SiC系相圖，從圖中可以看出，當(dāng)SiC的摩爾分?jǐn)?shù)為23%時(shí)，SiC和ZrB2形成低共熔點(diǎn)化合物，SiC的加入有利于ZrB2的燒結(jié)。、SiC第二相的強(qiáng)化機(jī)理：a.熱殘余應(yīng)力增強(qiáng)由于SiC的熱膨脹系數(shù)小于ZrB2的熱膨脹系數(shù)，因此在制備燒結(jié)中將產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，對材料有一定的增強(qiáng)作用；b細(xì)晶強(qiáng)化作用SiC作為作為細(xì)晶彌散相均勻分布在ZrB2基體中，其對位錯(cuò)的阻礙作用是材料的強(qiáng)度大幅度提高，同時(shí)韌性也有所提高。SiC增強(qiáng)抗氧化性的機(jī)理：在有02的情況下，ZrB2-SiC復(fù)合材料體系可能發(fā)生的氧化反應(yīng)有：

5、22出血)+50i(刃=2ZxO2(t0+2B2O3(s)SiC(s)+2O2(g)=SiOs)K：O2(g)SiC+3/2O2(g)=SiOXs)O(g)SiC(&)+2O2(g)=SiO2s)+C(s)其中反應(yīng)在較低的溫度下就能反應(yīng)，而反應(yīng)SiC的氧化要在較高的溫度下進(jìn)行，而在大于工作溫度1300OC的情況下，SiC會(huì)反應(yīng)。SiC增強(qiáng)ZrB2抗氧化能力的原因可能為：在較低溫度下，由于ZrB2氧化：生成的B2O3與Zr02形成了保護(hù)膜，阻止了ZrB2的氧化；在1300*以上，SiC在此溫度與氧反應(yīng)，形成了SiO2玻璃相，具有很強(qiáng)的抗氧化能力，同時(shí)和ZrO2保護(hù)膜一起阻止氧向材料內(nèi)擴(kuò)散，保護(hù)材料不致于繼續(xù)被氧化，從而提高了ZrB2復(fù)合材料的抗氧化性。三、制備技術(shù)路線、ZrB2及SiC粉末的制備ZrB2粉末可用碳化硼還原法制備，將ZrO2,B4C，C粉混合烘干，然后置于電爐中，在惰性氣氛下1600oC左右燒成得到ZrB2粉，反應(yīng)式為：ZrO2+B4C+CZrB2+COSiC粉末也可用熱還原法制備。2）、復(fù)合粉末的制備將ZrB2、SiC按4：1的比例和燒結(jié)助劑混合，在球磨罐中濕混，控制一定的球料比。將混合后的物料置于真空干燥箱內(nèi)干燥，然后將干燥后的粉料研磨過篩即得到復(fù)合粉體。3）、ZrB2-SiC復(fù)合材料的制備ZrB2-SiC復(fù)合材料采用真空高壓燒結(jié)制備。因?yàn)楦邏簾Y(jié)可使相燒結(jié)溫度