硼化鋯基超高溫陶瓷材料的組織結構及熱沖擊性能研究.pdf

1、近年來隨著航天航空工業(yè)的迅速發(fā)展，以高超聲速、長時間服役、高機動和遠距離精確打擊為主要技術特征的高超聲速武器已成為世界各國軍事研究和發(fā)展的熱點，高超聲速、長時間服役的特征對防熱材料提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，要求材料必須具有優(yōu)異的耐溫極限、抗氧化燒蝕性能、抗熱沖擊性能和輕質強韌的特點，因此開發(fā)應用于惡劣工作條件下的新型高溫結構材料變得極為迫切。
　　目前對能夠勝任極端環(huán)境下使用的超高溫陶瓷材料的研究，主要集中在過渡金屬的硼化物和碳化物上，其

2、中ZrB2因具有較低的相對密度、高熔點、高硬度和良好的導熱性等特點而在高溫結構陶瓷材料領域中得到了廣泛的關注；國內外大量研究者進一步研究發(fā)現(xiàn) ZrB2-SiC基的陶瓷材料比單純 ZrB2又具有更好的綜合性能，但材料的抗熱沖擊性能及材料在熱力耦合下的失效評價，是目前仍需進一步深入研究的主要問題。
　　本文首先針對 ZrB2-SiC陶瓷低韌性的特點，添加了10％的AlN，顯著改善 ZrB2-SiC陶瓷材料的燒結性能和致密度，使得材料的

3、彎曲強度、斷裂韌性和熱容有較大的提高，但是硬度、熱導率和熱擴散系數(shù)降低。對于相同組分的ZrB2-SiC-AlN陶瓷材料，選擇初始細晶粒粉末材料可以在熱物理性能（熱容、熱導率和熱膨脹系數(shù)）基本保持不變的情況下，進一步提高燒結致密度，提高材料的硬度、彎曲強度和斷裂韌性；同時由于斷裂韌性的極大提高，細晶粒的ZSA-2陶瓷材料的裂紋擴展阻力曲線也大于ZSA-1陶瓷材料，但是當裂紋尺寸接近或大于0.4mm后 ZSA-2陶瓷材料的KR曲線下降比 Z

4、SA-1材料快，說明細晶粒陶瓷材料在小裂紋尺寸時，對裂紋的擴展阻力更明顯。
　　通過高分辨電子顯微鏡（HRTEM）詳細分析了 ZS和ZSA陶瓷材料中各相的晶體結構和各相之間的界面結構、存在狀態(tài)和界面取向關系，界面結構的研究對超高溫陶瓷材料的高溫性能影響很大。HRTEM分析表明該陶瓷材料體系中，多型體 SiC主要都以6H結構存在，內部存在大量的堆垛層錯和缺陷，ZrB2基體中存在大量的位錯和缺陷；各組成相之間的界面都很純凈，沒有發(fā)生化

5、學反應，也沒有發(fā)現(xiàn)玻璃相或其他過渡相的存在；ZrB2/SiC或 ZrB2/AlN之間不存在明顯的取向關系，AlN的[001]方向和SiC的[010]方向經過微小的調整后易于平行生長。另外，根據(jù)界面結構的特點，確認了 ZS和ZSA陶瓷材料的燒結過程主要是固相燒結，其燒結致密化主要是靠熱壓外力作用下粉末粒子相互靠攏、重排、鍵合、塑性變形，及晶體滑移和塑性蠕變流動傳質等來實現(xiàn)的。
　　通過淬火-強度法研究了兩種 ZrB2-SiC-AlN

6、陶瓷的抗熱沖擊性能，發(fā)現(xiàn)由于細晶粒陶瓷 ZSA-2斷裂韌性的極大提高，所以其抗熱沖擊臨界溫差高于粗晶粒陶瓷 ZSA-1；研究還發(fā)現(xiàn)熱沖擊對材料斷裂韌性的影響并不顯著。不同厚度試樣熱沖擊的實驗和理論研究表明，隨著平板試樣厚度的增加，材料熱沖擊開裂的臨界溫差逐漸降低；試樣越薄，這種趨勢越明顯，當試樣的厚度增大到一定程度后，厚度對熱沖擊開裂臨界溫差的影響變得很小。此外，通過壓痕-淬火法研究了 ZSA-1和ZSA-2陶瓷材料抗熱沖擊過程中裂紋擴

7、展百分率隨淬火溫差的變化，來表征材料抵抗熱裂紋擴展的能力，研究表明：低溫差下裂紋不發(fā)生擴展，溫差在160-400℃時，裂紋隨著淬火溫差的增加而緩慢擴展，當溫差高于400℃時裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展；并建立了相應的理論模型進行了分析，和實驗結果吻合較好。
　　針對壓痕預制裂紋在氧化環(huán)境下的彌合過程，研究了預制裂紋的ZrB2-SiC-AlN陶瓷材料在1000℃下氧化后，材料強度隨氧化時間的變化。發(fā)現(xiàn)氧化對裂紋彌合具有很明顯的效果，即使氧化很短

8、時間，由于氧化對裂紋尖端的鈍化，材料的強度都能發(fā)生明顯的提高，隨著氧化時間的增加，表面氧化層逐漸變厚，而且越來越致密，剩余強度越來越高，當氧化時間達到60min后，試樣的表面最致密，強度達到最大值，然后繼續(xù)增加氧化時間時，表面氧化層結構變得不致密，而且內部也出現(xiàn)了更疏松的過渡層，所以氧化后材料的強度開始下降。
　　通過數(shù)值模擬分析了 ZSA陶瓷材料的單向和三向熱沖擊過程，給出了材料熱沖擊過程中的溫度和熱應力分布。根據(jù)壓痕預制裂紋的

9、橫截面形貌，確定了初始裂紋的形狀，并據(jù)此建立了相應的模型，計算了裂紋前沿不同位置的J積分和應力強度因子 K，并根據(jù) J判據(jù)和K判據(jù)給出了裂紋開始擴展的臨界溫差，與實驗結果吻合較好。然后基于內聚力模型模擬了壓痕預制裂紋在不同熱沖擊溫差下熱沖擊后的裂紋擴展情況，計算了裂紋的擴展百分率；根據(jù)不同熱沖擊溫差下熱沖擊后，試樣內部的應力分布情況，得出了不同熱沖擊溫差下試樣內部的熱應力的影響深度，并據(jù)此引入了一個熱應力影響深度系數(shù)參數(shù)，對有限元計算結

10、果進行了修正，修正后的計算結果與實驗結果誤差水平在可接收范圍之內。
　　根據(jù)實際壓痕裂紋的形狀和尺寸，建立了相應的模型，分析了 ZSA陶瓷材料在熱沖擊及熱沖擊和拉、剪共同作用下，表面裂紋和內部裂紋的耦合擴展過程；分析了不同內部裂紋取向，在不同載荷工況下和表面裂紋交互作用的擴展方式，給出了多種載荷工況下材料的主要失效模式。進一步通過擴展有限元技術分析了材料內部含第二相顆粒時，表面預制裂紋在熱沖擊及熱沖擊和拉、剪共同作用下的裂紋擴展情