原位Zr2[Al(Si)]4C5改性ZrB2-SiC超高温陶瓷的制备及性能研究

ZrB2-SiC composites are one of the major research subjects for ultra-high temperature ceramics (UHTCs). To further improve the comprehensive performance of ZrB2-SiC, based on the ideals of multicomponent strengthening and toughening and in situ synthesis, in situ ZrB2-SiC-Zr2[Al(Si)]4C5 composites will be prepared by incorporating Zr2[Al(Si)]4C5, which is a novel ultra-high temperature material with excellent comprehensive performance. Zr2[Al(Si)]4C5 and SiC have different performance advantages, and them will constitute multicomponent reinforcements with different morphologies and sizes, which will have a synergistic effect on the matrix, therefore improving the properties of materials. In this project, the in situ synthesis mechanism of ZrB2-SiC-Zr2[Al(Si)]4C5 will be studied. The effects of phase composition and microstructure on the mechanical properties at room and elevated temperatures, and oxidation behavior of materials will be investigated. The influence mechanisms of high temperature properties of materials will be analyzed. The relationship between the composition, structure, and properties of materials will be revealed. The synergistic mechanism of the reinforcements, and the oxidation mechanism of materials will be discussed. On this basis, ZrB2-SiC-Zr2[Al(Si)]4C5 UHTCs with high strength and toughness, and good oxidation resistance will be prepared. The project implementation will enrich the UHTCs systems, develop the theories of multicomponent strengthening and toughening mechanism, and provide theoretical basis for broadening the service temperature of UHTCs.

ZrB2-SiC是超高温陶瓷的主要研究对象之一，为进一步提高其综合性能，本项目拟基于多元强化和原位合成的思想，在ZrB2-SiC中引入综合性能优异的超高温材料Zr2[Al(Si)]4C5，原位制备ZrB2-SiC-Zr2[Al(Si)]4C5复相陶瓷。不同性能优势的Zr2[Al(Si)]4C5和SiC构成不同形貌和尺度的多元强韧化机构，协同作用于基体，提高材料性能。以ZrB2-SiC-Zr2[Al(Si)]4C5为研究对象，研究其原位合成机制，通过研究材料组成、结构对室温和高温力学性能、氧化行为的影响，分析材料高温性能的影响机理，揭示材料组成-结构-性能之间的关系，探讨增强相的协同作用机制、材料的氧化机制，并制备出强韧、抗氧化的ZrB2-SiC-Zr2[Al(Si)]4C5超高温陶瓷。本项目的实施，丰富了超高温陶瓷体系，发展了多元强韧化机制的理论，为拓展超高温陶瓷的服役范围提供理论依据。

新型超高温陶瓷的制备及性能研究是先进材料的关注热点，本项目基于多元强化和原位合成的思想，以ZrH2、Al、Si、石墨和B4C为原料，在1850℃原位热压烧结制备出了致密的新型ZrB2-SiC/Zr-Al(Si)-C超高温复相陶瓷体系，并实现了材料物相和组成的调控，在此基础上，对材料的性能进行了研究和对比，探究了相关机理。以ZrB2-SiC-Zr2[Al(Si)]4C5体系为研究对象，主要研究并揭示了材料的原位制备过程、力学性能以及抗氧化性能。材料的弯曲强度、断裂韧性、维氏硬度和杨氏模量分别达到706MPa、7.33MPa·m1/2、21.3GPa和452GPa。SiC和Zr2[Al(Si)]4C5构成协同强韧化体系，通过细晶强化、晶粒拔出以及裂纹偏转、分叉和桥连等机制协同作用，显著提高了材料的力学性能。此外，材料在1300℃空气中的高温强度达到494MPa，强度保持率约70%。材料在1600℃空气中的氧化动力学符合抛物线规律，其氧化速率常数随Zr2[Al(Si)]4C5的引入和含量的增加而变大。材料的氧化层主要由ZrO2、ZrSiO4、Al2O3、SiO2和铝硅酸盐构成，并形成三层结构：致密氧化外层、疏松多孔中间层和致密氧化内层。在前期工作基础上，调控物相组成，以ZrB2-SiC-Zr3[Al(Si)]4C6体系为研究对象，研究了材料的力学性能和抗氧化性能。该材料的强度、韧性、硬度和模量分别达到623MPa、7.59MPa·m1/2、17.5GPa和418GPa，且其在1300℃空气中的高温强度达到422MPa，强度保持率约67%。材料在1300-1500℃的氧化动力学符合抛物线规律，通过与Zr3[Al(Si)]4C6的氧化行为进行对比，揭示了材料的氧化机制，建立了材料的氧化过程结构模型。本项目的实施丰富了超高温复相陶瓷体系，拓宽了新型耐热防护材料的设计和制备思路，为超高温陶瓷的性能研究和服役使用提供对比和依据，对未来新型航天航空飞行器的发展起到积极作用。此外，在实施本项目研究内容的同时，还拓展进行了液相前驱体法制备相关陶瓷材料的初步研究，为后续开展液相前驱体法制备超高温陶瓷材料的工作奠定基础。