新型Si-B-C-N-Zr陶瓷基复合材料的制备及其高温损伤机理

Si-B-C-N ceramics have excellent resistance to oxidation, creep resistance and low density. So these ceramics have great potential applications in aerospace heat-resistant and high temperature structure. To further enhance maximum service temperature, this project intends to join the Zr element into Si-B-C-N ceramics, and this ceramic should have excellent resistance to oxidation and high ablative-resistance above 1800℃. This project will research the influence of element ratio and process parameter of high energy ball mill on the thermal stability of amorphous Si-B-C-N-Zr nano powders. On this basis, the Si-B-C-N-Zr ceramics will fabricated by hot-pressing. The influence of process parameter, the valence bond type and content, and the relative content of amorphous structure on the mechanical properties, thermophysical properties, resistance to oxidation, and ablative-resistance will be researched. And the high temperature damage mechanisms will be analysed. The study will supply the theory and technical support on the application on the heat-resistant components, so the project has the important academic and potential engineering application.

Si-B-C-N系陶瓷材料具有抗氧化性优异、抗蠕变能力强、密度低等优点，因而在航空航天防热与高温结构件上极具应用潜力。为进一步提高其使用温度，本项目拟在Si-B-C-N系陶瓷材料中加入Zr元素，以获得Si-B-C-N-Zr陶瓷复合材料，该材料体系在1800℃以上高温应具有良好的抗氧化和耐烧蚀性能。通过研究元素配比、机械合金化工艺参数以优化出具有良好热稳定性能的Si-B-C-N-Zr纳米非晶粉末的制备工艺。在此基础上，经热压烧结获得Si-B-C-N-Zr块体陶瓷，研究制备工艺、价键种类及含量以及非晶态相对含量等因素对其力学、热物理、抗氧化、耐烧蚀等性能的影响规律，分析其高温损伤机理。该研究可为该系材料在防热构件上的应用及优化设计提供理论与技术支持，因此具有重要的学术和潜在的工程应用价值。

本项目拟在Si-B-C-N体系中加入Zr元素，一种为通过机械合金化的过程中引入Zr元素，制备纳米Si-B-C-N-Zr复合陶瓷粉末，并进一步烧结制备出含有ZrB2/ZrC-SiC-BCN纳米晶和非晶结构共同存在的复合陶瓷材料。另一种方法为通过溶胶凝胶的方法引入第二相ZrB2，获得一种耐高温、抗氧化性能优异的高温结构陶瓷材料。. 采用机械合金化方法及热压烧结方式制备了 Si-B-C-N-Zr 块体陶瓷。研究表明，原料粉末经高能球磨后实现了非晶化，随Zr，B含量的增加，粉末非晶度降低。烧结温度的改变对材料的物相组成，微观形貌无明显影响。不同温度热压烧结后陶瓷的含有 SiC，BN（C），ZrB2，ZrN，和少量ZrOx或ZrO2相。Zr，B的含量增加可以提高陶瓷的抗弯强度和维氏硬度，但弹性模量降低。Si-B-C-N-Zr 陶瓷断裂韧性均较差，在3MPa·m1/2左右。采用溶胶凝胶法结合放电等离子烧结技术制备ZrB2/SiBCN复相陶瓷，复相陶瓷的力学性能和致密度都有明显提高，第二相均匀的分散到基体中，断裂方式主要为沿晶断裂。. Si-B-C-N-Zr 陶瓷在 1100℃，1200℃，1300℃氧化 1h 后，材料的表面物相相同，主要为ZrSiO4，有少量的ZrO2和SiO2。不同温度氧化以后形貌和截面形貌存在巨大差别，在1100℃和1300℃氧化以后材料表面有液相保护层存在，无空洞出现，1200℃氧化后材料表面有明显的空洞。Si-B-C-N-Zr陶瓷在1200℃氧化时增重随时间增加，呈抛物线规律。不同温度烧结的陶瓷在氧化前 1h 增重差别较大，氧化 5h 后增重接近。随 Zr，B 含量的增加，陶瓷氧化增重变大，不同工艺制备的粉末烧结的陶瓷在氧化时增重曲线无明显区别。. 选取1700℃，1800℃以及1900℃下热压烧结后得到的陶瓷进行烧蚀实验。Si-B-C-N-Zr复合材料烧蚀后表面出现了不同程度上的宏观裂纹，并且在烧蚀中心出现烧蚀坑。三种不同的温度烧结得到的复合材料其质量烧蚀率和线烧蚀率别为，1.06×10-5g/mm2·s，4.26×10-6g/mm2·s，1.36×10-5g/mm2·s，0.003 mm/s，0.006 mm/s，0.008mm/s。