Zr2[Al(Si)]4C5基复相陶瓷的抗氧化机制研究

This project is to explore the mechanisms of oxidization of Zr2[Al(Si)]4C5 ceramics and the crucial parameters influencing its oxidation behaviors based on the preliminary results, and to improve its oxidation resistance by designing optimally the multi-phase ceramics Zr2[Al(Si)]4C5,such as SiB6. (1) Oxidation resistance of Zr2[Al(Si)]4C5 carbide ceramics will be enhanced by optimizing the microstructures arising from scientifically designing its constituents and concentrations. (2) Effective ways of reducing oxidation will be targeted by examining oxidation behaviors of ceramics, and then analyzing kinetics and thermodynamics of oxidation, and finally clarifying the underlying mechanisms of oxidation at high temperatures. (3) Dependences of oxidation properties on oxidation pretreatment, constituents and amount of additives, and microstructures will be explored. (4) Ways to improve both oxidation resistance and high-temperature mechanical properties of ceramics will be obtained so as to realize its high temperature services by combining its mechanical and thermal properties as well as probing properties and mechanisms of oxidation.

本课题基于前期研究结果，深入研究Zr2[Al(Si)]4C5陶瓷的氧化机制及影响Zr2[Al(Si)]4C5陶瓷氧化行为的关键因素，通过对Zr2[Al(Si)]4C5基复相陶瓷材料体系的优化设计，如添加第二相（如SiB6）以提高其抗氧化能力。具体工作包括： （1）通过合理设计Zr2[Al(Si)]4C5碳化物陶瓷材料体系组份，优化其微结构以提高抗氧化能力；（2）通过深入研究陶瓷材料的氧化行为，分析氧化热力学与动力学，揭示高温条件下材料的氧化机理，探寻抑制氧化的有效途径；（3）在氧化条件下，研究预氧化处理、添加物的成分和含量、微结构对氧化性能的影响；（4）通过综合研究陶瓷材料的力学和热学性能，分析氧化特性和机制，提出改善材料抗氧化能力和提高材料高温使用性能的方法，以满足高温服役要求。

三元层状碳化物和氮化物陶瓷具有一系列优异的特点，如密度低、成本低、模量高等，从而拥有广阔的应用前景。本课题采用两步烧结的方法制备Zr2Al4C5-SiC-SiB6三相复合陶瓷，第一步以碳化锆粉、铝粉、炭黑粉为原料利用固液反应-原位合成法制备Zr2Al4C5三元陶瓷材料；第二步烧结选用SiC、SiB6颗粒为第二相和第三相，热压烧结制备了Zr2Al4C5-SiC-SiB6三相复合陶瓷，并采用现代分析手段对该复合陶瓷的相关性能进行了研究。.首先，在1700℃下保温60min采用无压烧结工艺制备Zr2Al4C5三元陶瓷；然后加入20vol.%SiC和不同体积比例的SiB6，在1800℃下保温60min采用热压烧结工艺制备Zr2Al4C5-SiC-SiB6三相复合陶瓷，烧结工艺参数为30Mpa压力和氩气保护。研究发现，随着SiB6颗粒引入量的增加，陶瓷的致密度和力学性能均呈现增加趋势，材料的室温弯曲强度和断裂韧性最大能达到554Mpa和5.70MPa m1/2。增韧机制为裂纹偏转及裂纹分叉。.其次，探究了材料的裂纹弥合能力。实验结果表明，添加SiB6的三相复合陶瓷在空气中进行中低温预氧化处理，能够有效提高材料的室温弯曲强度。.再次，对三相复合陶瓷的抗氧化性能进行了研究，研究发现SiB6可以提高材料在1000-1200℃时的抗氧化性能。添加8vol.%SiB6的三相复合陶瓷具有最好的抗氧化性能。.最后动力学分析结果表明，单纯的Zr-C、Al-C二元体系的合成动力学过程难以实现，在三元体系Zr-Al-C中存在着两个非常重要的反应阶段：其一为Al熔点附近，其二为1000℃-1400℃这个相当宽化的温度范围。在Al熔点附近主要发生的实际是二元反应Zr-Al，与单纯的Zr-Al二元体系很相似，经历了如下动力学实现过程：Zr-Al固相扩散过程→三维界面反应→Zr-Al二元化合物形核过程，充分反应条件下该总包反应主要受到Avrami形核过程控制。1000℃-1400℃是三元化合物Zr3Al3C5与少量Zr2Al3C5生成阶段，该阶段与对应的二元系有很大不同，由于液态Al的参与使得反应势垒下降，尤其在1144℃左右反应速率大增，整个过程由三元化合物的形核控制反应。