二硼化锆超高温陶瓷的强韧化

发表时间：2022-04-28

市场部福斯曼一新材料产研与孵化 2022-03-04 11:23

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二硼化锆超高温陶瓷的强韧化

汪长安 ¹，王海龙^1,2，王明福 ^1,3

(1. 清华大学材料学院，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 100084；

2. 郑州大学材料科学与工程学院，郑州 450001；

3 北京动力机械研究所，北京 100074)

摘要：以ZrB₂为基体材料，分别采用添加SiC颗粒(SiCp)、SiC 晶须(SiCw)和 SiC晶片(SiCpl)作为增韧相，采用热压烧结技术制备了SiC/ZrB₂陶瓷基复合材料，分析了不同增韧相的种类和添加量对ZrB₂陶瓷强韧化效果的影响，并通过层状结构设计，采用放电等离子体烧结工艺制备出ZrB₂基层状复合陶瓷材料，研究了层状结构对ZrB₂陶瓷强韧化效果的影响。结果表明：添加SiC颗粒、晶须或晶片，采用热压烧结可以制备出接近完全致密的 SiC/ZrB₂陶瓷基复合材料；与单独添加SiC颗粒或晶须相比，同时添加SiC颗粒和晶须的增韧效果更加明显，而SiC晶片也可以起到较好的强韧化效果；通过层状结构设计，能够较大幅度地提高ZrB₂陶瓷的断裂韧性，显示了很好的增韧效果。

关键词：二硼化锆；强韧化；碳化硅；层状结构；力学性能

前言

二硼化锆(ZrB₂)是一类典型的超高温陶瓷材料，具有高熔点(3245℃)、高强度、高硬度和优良的导电、导热、耐腐蚀、捕集中子等性能，在航空航天、电子、核工业等领域内得到了广泛开发和应用，特别是在高超声速飞行器上作为防热材料，具有较好的应用前景^[1–4]。然而，除了烧结温度高及高温下抗氧化烧蚀性能差以外，断裂韧性较低也严重地限制了其在高温等苛刻环境下的广泛应用。因此，对ZrB₂陶瓷进行强韧化研究，成为近年来的一个研究热点，越来越多的研究集中在保持其强度的基础上，进一步提高其断裂韧性。

对陶瓷材料进行强韧化研究由来已久，常用的强韧化手段主要有：添加增韧相(如纤维、晶须、颗粒、氧化锆相变增韧)、仿生结构增韧(如纤维独石结构、层状结构等)^[5–6]。增韧的本质就是在材料内引入吸收断裂能量的机制，通过裂纹偏转、纤维(或晶须)桥联、纤维(或晶须)拔出、相变增韧、微裂纹增韧、弱界面层对裂纹的反复偏转等增韧机制，提高陶瓷材料的断裂韧性。对于二硼化锆陶瓷材料的强韧化研究，人们也开展了较多的工作，碳纤维、碳化硅颗粒、晶须或晶片也常被用作增韧相，可以在一定程度上提高ZrB₂陶瓷的断裂韧性^[7–10]。然而，对二硼化锆陶瓷进行强韧化，还缺少系统化的研究，其力学性能仍有较大提升空间。

以碳化硅颗粒、晶须、晶片为增韧相，采用热压烧结方法制备了SiC/ZrB₂陶瓷基复合材料，研究了不同增韧相的形貌和含量对二硼化锆陶瓷强韧化效果的影响，并通过层状结构设计，采用放电等离子体烧结技术，制备了层状结构ZrB₂陶瓷基复合材料，探讨了层状结构对二硼化锆陶瓷的增韧作用。

结论

1) 通过添加SiC颗粒、晶须或晶片，采用热压烧结可以制备出接近完全致密的SiC/ZrB₂陶瓷基复合材料，SiC相的加入促进了烧结致密化，同时抑制了ZrB₂基体晶粒的长大，因而有利于提高ZrB₂陶瓷基复合材料的力学性能。

2) 与单独添加SiC颗粒或晶须的ZrB₂陶瓷基复合材料相比，同时添加SiC颗粒和晶须的增韧效果更加明显，其最佳的加入量为10%SiCp+10%SiCw，此时强度可达620MPa，断裂韧性可达9.0MPa·m^1/2。高韧性主要源自于SiC晶须的桥联和拔出机制、SiC颗粒对裂纹的钉扎机制、以及由SiC颗粒和晶须引起的裂纹偏转机制等，体现了一定的协同增韧的效果。

3) SiC晶片可以起到较好的强韧化效果，当SiC晶片的添加量为5%时，抗弯强度达到最大值625MPa；当SiC晶片的添加量为15%时，断裂韧性达到最大值8.4MPa·m^1/2。但是SiC晶片的强韧化效果还与其长厚比及尺寸有关，过大的SiC晶片尺寸严重地阻碍了ZrB₂陶瓷的烧结致密化，因而减弱了其强韧化效果。

4) 通过层状结构设计，能够较大幅度地提高ZrB₂陶瓷的断裂韧性，当在界面层中添加30%ZrB₂时，ZrB₂/SiC+30%ZrB₂层状陶瓷复合材料的断裂韧性可达12.3MPa·m^1/2，显示了很好的增韧效果，但是因为弱界面层带来的缺陷尺寸较大，在一定程度上降低了陶瓷的强度。

文中部分图表