ZrB2基陶瓷高溫材料

1、ZrB基陶瓷高溫材料2材料要求性質：1）、工作溫度T$1300（C；2）、強度要求，抗拉強度大于1500MPa，抗壓強度大于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、高硬度、高導熱率、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、力學性能和抗氧化性能。一、材料組元及結構基體相為ZrB2，第二相為SiC。比例為4：1。材料為六方結構，SiC第二相為細晶均勻分布在基體內。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屬六方結構,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同時擁有金屬鍵和共價鍵，故其具有陶瓷和金屬的雙重性。因此ZrB2陶瓷具有熔點、硬度高，導電導熱性好，且抗鋼水腐蝕等優(yōu)點。但是，它在高溫時易氧化生成b

3、2o3，因此抗氧化性較差，同時其高溫強度有限，這使其的應用受到限制。2)、SiC第二相在ZrB2材料中可引入SiC相以彌補ZrB2高溫抗氧化性能不好、強度不高的缺點。、SiC第二相的選擇依據(jù)：a與基體之間的化學相容性和共存性。第二相SiC與基體ZrB2之間具備良好的相界面結合強度；同時SiC與ZrB2之間具有相對的化學穩(wěn)定性，相互之間不發(fā)生化學反應和互溶現(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化性。SiC的彈性模量(3.43X105Pa)與基體ZrB2的(3.87X105Pa)相當，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可降低燒結溫度下圖為ZrB2-SiC系相圖，從圖中可以看出，當SiC的摩爾分數(shù)為23%時，SiC和ZrB2形成低共熔點化合物，SiC的加入有利于ZrB2的燒結。、SiC第二相的強化機理：a.熱殘余應力增強由于SiC的熱膨脹系數(shù)小于ZrB2的熱膨脹系數(shù)，因此在制備燒結中將產(chǎn)生殘余熱應力，對材料有一定的增強作用；b細晶強化作用SiC作為作為細晶彌散相均勻分布在ZrB2基體中，其對位錯的阻礙作用是材料的強度大幅度提高，同時韌性也有所提高。SiC增強抗氧化性的機理：在有02的情況下，ZrB2-SiC復合材料體系可能發(fā)生的氧化反應有：

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)其中反應在較低的溫度下就能反應，而反應SiC的氧化要在較高的溫度下進行，而在大于工作溫度1300OC的情況下，SiC會反應。SiC增強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形成了保護膜，阻止了ZrB2的氧化；在1300*以上，SiC在此溫度與氧反應，形成了SiO2玻璃相，具有很強的抗氧化能力，同時和ZrO2保護膜一起阻止氧向材料內擴散，保護材料不致于繼續(xù)被氧化，從而提高了ZrB2復合材料的抗氧化性。三、制備技術路線、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，反應式為：ZrO2+B4C+CZrB2+COSiC粉末也可用熱還原法制備。2）、復合粉末的制備將ZrB2、SiC按4：1的比例和燒結助劑混合，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干燥，然后將干燥后的粉料研磨過篩即得到復合粉體。3）、ZrB2-SiC復合材料的制備ZrB2-SiC復合材料采用真空高壓燒結制備。因為高壓燒結可使相燒結溫度