层状HfB2-SiC基陶瓷材料的制备与性能研究

来源 :山东理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tian1_sheng2_wo3_cai
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HfB2陶瓷具有高熔点、高硬度、高热导率及其良好的耐腐蚀性,是目前高温航空航天领域研究较多的候选材料。纯HfB2粉体难以烧结致密,且由于其固有脆性限制了在高温极端环境下的应用。基于仿生结构的启发,以HfB2、SiC粉体为原料在1900°C、30 MPa条件下成功制备出层状HfB2-SiC/SiC陶瓷。研究了层状陶瓷的制备工艺、力学性能、抗热震性能、抗氧化和抗烧蚀性能。采用流延成型工艺制备层状流延片。当基体层粘结剂含量为15 wt.%、界面层粘结剂含量为40 wt.%,搅拌时间为12 h,可制得分散均匀且具有一定柔韧性的流延片。通过热重分析确定脱脂工艺的温度为650 ℃,脱脂速度为0.2 o C/min,保温1 h。通过控制界面成分配比制备出两种层状HfB2-SiC/SiC陶瓷,分别标记为LHS1(界面:HfB2-80 vol.%SiC)和LHS2(界面:HfB2-90 vol.%SiC)。LHS1在平行和垂直方向的弯曲强度分别为413 MPa与371 MPa,LHS2的弯曲强度分别为385 MPa与305MPa。LHS1与LHS2在平行方向的断裂韧性分别为10.2 MPa·m1/2与7.4 MPa·m1/2。平行方向较高的韧性是由于界面层的存在促使裂纹偏转、分叉,延长了裂纹的扩展路径,消耗了大量断裂功。界面层中过高含量的SiC使得试样难以烧结致密,导致LHS2的力学性能低于LHS1。层状LHS1和单相HS陶瓷随着热冲击温度的变化,残余强度逐渐降低。层状LHS1的临界热震温差(平行方向:554 ℃,垂直方向:526 ℃)高于单相HfB2-SiC(HS)陶瓷的临界热震温差459 ℃。1020 ℃水淬后,单相HS发生贯穿性断裂,而层状LHS1仅有微裂纹形成。这表明,层状结构对裂纹起到较好的偏转作用,抑制了贯穿性裂纹的形成,提高了层状LHS1的抗热震性能。层状LHS1和单相HS在1300 ℃下随着氧化时间的延长氧化加剧。氧化10 h后,LHS1和HS的氧化增重量分别为9.05 mg/cm2和9.55 mg/cm2。氧化速率随时间延长而降低,这是由于生成的SiO2玻璃相填充了材料的孔洞缺陷,有效抑制了氧气进入材料内部继续氧化。经过10 h氧化后,LHS1的弯曲强度和断裂韧性均降低。层状LHS1和单相HS在2000 ℃下烧蚀200 s后试样表面中心烧蚀区的温度分别为2448°C和2285°C,高导热性导致单相HS的表面温度较低。LHS1和HS的质量烧蚀率分别为20 mg·s-1和0.2 mg·s-1,线性烧蚀率分别为0.90μm·s-1和0.45μm·s-1。层状陶瓷的烧蚀率明显高于单相陶瓷,这与层状陶瓷严重的烧蚀形貌一致。
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