ZrB2-ZrO2-Ta超高温金属陶瓷的制备开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着航天事业的迅猛发展,超高温陶瓷也迫切需要进行发展改进。作为超高速航天器的重要组成部分,其耐高温的性能有着其不可磨灭的作用,一般的传统材料无法胜任。二硼化锆(zrb2)作为一种超高温陶瓷,由于其高熔点、高热导、低密度以及优良的抗氧化、耐烧蚀等特点,被认为是高超声速飞行器鼻锥、翼前缘等关键部位的理想候选材料。然而,zrb2陶瓷差的可烧结性以及本质的脆性在一定程度上限制了其应用。

现阶段大家已经探索出许多种增韧方法,如纤维增韧,晶须增韧,金属增韧,颗粒增韧,相变增韧。纤维增韧是通过增加断裂表面,即增加裂纹的扩展路径。这样虽然可以在一定程度上增加陶瓷的韧性,但由于其增加的裂纹扩展路径有限,使得并不能大幅度的提高韧性。相变增韧包括压力诱导相变,微裂纹增韧,压缩表面增韧等手段。相变增韧陶瓷是一种发展前途的新型结构陶瓷,其主要是利用材料的相变特性来提高陶瓷材料的断裂韧性和抗弯强度,使其具有优良的力学性能,低的导热系数和良好的抗热震性。但其技术还是不成熟,增幅效果不明显。还有诸如颗粒增韧,其主要是通过添加颗粒使基体和颗粒间产生弹性模量和热膨胀适配比来达到增韧的目的,目前使用的最多的就是氮化物和碳化物等颗粒。增韧幅度较好,可是由于其要求颗粒分布十分均匀使得较难控制。

结合上段所讲,这几种增韧手段有其独特的优势,我们需要根据复合不同的结构要求或特点来选择不同的增韧方式,以求达到最大的效果。因此本次拟采用金属来使得提高zrb2陶瓷的断裂韧性。之前所用的金属如nb(熔点2468 ℃),mo(熔点2617 ℃)等金属作为金属增韧时,其熔点不是很高,用在超高温陶瓷上时,限制陶瓷的温度使用范围。如果改用ta的话,则情况有所改变。钽可用来制造各种熔点高的可延展合金。这些合金可作为超硬金属加工工具的材料,ta及ta合金具有熔点高,密度高,耐磨性好,高温强度优异,且能抵御氧化,加工塑形和可焊接性良好以及塑脆转变温度低等优点。ta 单质密度:16.654 g/cm3 单质熔点2996.0 ℃,以及制造高温合金,用于喷射引擎、化学实验器材、核反应堆以及导弹当中。在本次实验中,拟加入金属ta粉末,将陶瓷粉末通过烧结连结在一起,来探究加入金属ta的zrb2陶瓷的断裂韧性是否会提高,而使得其提高的机制又是什么。不仅如此。本次的zrb2陶瓷粉末不是以往的层状,是经过特殊处理的包裹粉末,在氢氧化钠和双氧水的处理下,将单个zrb2陶瓷粉末颗粒最外围给氧化成zro2,形成zrb2-zro2包裹颗粒状,且ta不与zro2进行反应。将zrb2陶瓷在高温的情况下完成致密化。

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2. 研究的基本内容与方案

基本内容:

1、制备zrb2-zro2粉体。将zrb2粉,氢氧化钠和双氧水的混合物,在经过水浴后,混合在一起在140 ℃进行反应12 h,得到zrb2-zro2包裹粉体;

2、烧结zrb2-zro2-ta超高温金属陶瓷。将zrb2-zro2包裹粉体与ta混合均匀,进行pas烧结;

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3. 研究计划与安排

1-2周:查阅文献、撰写开题报告

3-4周:进行实验准备,完成英文文献翻译

5-10周:金属陶瓷的pas烧结

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]李建.c_(sf)/zrb_2-zrsi_2超高温陶瓷复合材料的低温制备技术及强韧机理研究[d].大连理工大学,2017.

[2]马凤辰,应国兵,宿琳,张晨,骆鸿,戴中华,王香,王乘.ta_2alc–ta_4alc_3复合材料放电等离子烧结制备与力学性能[j].硅酸盐学报,2019,47(01):104-108.

[3]严骏,毕先磊,刘爱军,徐潇敏,刘宁,章桥新.放电等离子烧结的ta-w合金的组织和性能研究[j].热处理,2018,33(06):11-18.

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