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SiC晶须增强增韧ZrC基超高温陶瓷材料的制备与性能表征

作　者: 柳青
导　师: 李金平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料工程
关键词: ZrC陶瓷 SiC晶须增韧 力学性能 抗热震性能 氧化烧蚀性能
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


超高温陶瓷材料因其独特的优异性能，在航空、航天、军事等领域倍受人们的关注。本文选用超高温陶瓷的典型代表ZrC作为基体材料，通过添加SiC晶须来进一步改善陶瓷材料的脆性、烧结性能和抗氧化性能。本文通过对SiC晶须的含量进行优化设计，分别研制了ZrC+5%SiCw复合材料、ZrC+10%SiCw复合材料、ZrC+15%SiCw复合材料和ZrC+20%SiCw复合材料，并深入探讨了SiC晶须的含量对材料的微观结构、力学性能、抗热震性能以及抗烧蚀性能等的影响，着重分析了复合材料的强韧化机制，抗热震机理及抗氧化烧蚀行为，为这种新型ZrC基陶瓷复合材料在高温结构材料中的应用奠定实验和理论基础。与纯ZrC陶瓷相比，SiC晶须的加入改善了材料的烧结性能，降低了材料的内部缺陷，抑制了基体晶粒的长大，提高了材料的致密度、抗弯强度和断裂韧性，并随着SiC晶须含量的增加而不断增强，在SiC晶须含量为20vol.%时均达到最大值，分别为99.2%，626.17MPa和5.03MPa·m1/2。材料的强韧化机制主要是细晶强化，残余应力和裂纹偏转、桥连、分叉。采用水淬-残余强度法对四种材料体系在200℃～500℃温差范围内的抗热震性能进行了研究，结果表明：ZrC/SiCw复合材料体系的残余强度在热震温差ΔT=200℃时，都没有明显的变化，当热震温差ΔT从200℃增加到300℃时，四种材料的残余强度均发生急剧降低，之后随着温差的升高，材料的残余强度一直缓慢下降；测得ZrC/20SiCw复合材料的临界热震温差最高，为237℃；ZrC/SiCw复合材料抗热震性能的提高，是由于SiC晶须的加入使材料的致密度、弯曲强度、断裂韧性和热导率都得到显著提高，进而影响材料的抗热震能力。对掺杂不同含量SiC晶须的ZrC基复合材料的氧化烧蚀性能做出评价，分析材料的烧蚀机理。实验结果表明ZrC/20SiCw复合材料的质量烧蚀率和线烧蚀率最低，经过120秒氧乙炔焰烧蚀后，ZrC/20SiCw复合材料的质量烧蚀率仅为（2.52×10-4）g/s，线烧蚀率仅为（30.83×10-4）mm/s，这是由于在复合材料的表面形成了一层氧化膜，其结构主要是最外面的ZrO2与SiO2保护膜，以及在氧化层与基体之间的界面处形成的过渡层氧化物ZrCxO1-x，此氧化膜有效地阻止了氧的扩散，提高了材料的抗烧蚀性能。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-11
第1章 绪论  11-26
  1.1 课题背景及研究意义  11-13
  1.2 超高温材料的研究发展  13-19
    1.2.1 难熔金属及其合金  13-14
    1.2.2 C/C复合材料  14-15
    1.2.3 硼化物陶瓷材料  15-17
    1.2.4 碳化物陶瓷材料  17-19
  1.3 碳化锆及其复合材料的研究进展  19-24
    1.3.1 单相 ZrC 陶瓷的结构与性能  19-20
    1.3.2 二元 ZrC 基复合材料的研究  20-22
    1.3.3 三元 ZrC 复合材料的研究  22-24
  1.4 本文主要研究内容  24-26
第2章 ZrC/SiCw 陶瓷复合材料的制备及实验方法  26-33
  2.1 ZrC 基陶瓷复合材料的制备  26-30
    2.1.1 原始粉末的性质  26-27
    2.1.2 复合材料的制备  27-30
  2.2 性能测试及表征方法  30-33
    2.2.1 材料的相对密度计算  30
    2.2.2 室温抗弯强度测试  30-31
    2.2.3 断裂韧性测试  31-32
    2.2.4 抗热震实验  32
    2.2.5 氧乙炔烧蚀实验  32
    2.2.6 扫描电镜观察(SEM) 和能谱分析(EDS)  32-33
第3章 ZrC 基陶瓷复合材料的基本性能及显微结构  33-51
  3.1 引言  33-34
  3.2 相对密度  34-38
  3.3 常温力学性能  38-44
    3.3.1 抗弯强度  38-40
    3.3.2 断裂韧性  40-43
    3.3.3 强韧化机理  43-44
  3.4 抗热震性能研究  44-49
    3.4.1 抗热震实验方法  45
    3.4.2 残余强度的表征与分析  45-48
    3.4.3 扫描电镜的观察与分析  48-49
  3.5 本章小结  49-51
第4章 ZrC 基陶瓷复合材料的氧乙炔烧蚀性能研究  51-63
  4.1 试样制备与氧化烧蚀试验  51-53
    4.1.1 试样的制备  51-52
    4.1.2 氧乙炔烧蚀试验  52-53
  4.2 氧乙炔烧蚀试验的实验结果与讨论分析  53-56
    4.2.1 烧蚀过程中试样的表面温度及其宏观形貌  53-55
    4.2.2 烧蚀试样的烧蚀率测定  55-56
  4.3 烧蚀后试样的形貌分析  56-61
    4.3.1 烧蚀后试样的表面形貌分析  57-58
    4.3.2 烧蚀后试样的截面结构分析  58-60
    4.3.3 氧乙炔烧蚀机理分析  60-61
  4.4 本章小结  61-63
结论  63-65
参考文献  65-74
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  74-76
致谢  76

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论
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