ZrB2共晶陶瓷燃烧合成熔铸机理和工艺

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共晶陶瓷作为一种原位生成的陶瓷基复合材料,在微米和纳米级别上具有良好的微观结构,表现出了出色的热稳定性和优异的力学性能。本文研究了燃烧合成法制备ZrB2共晶陶瓷的工艺及熔铸机理,采用铝热燃烧合成反应成功的制备出了ZrB2/SiC体系和ZrB2/WC体系的共晶陶瓷。通过反应剂含量的控制实现了对体系绝热温度的控制。同时用XRD、SEM等检测方法分析了燃烧合成反应产物的相组成及产物的组织形貌。本眼前就主要内容包括:  ⑴热力学计算了反应剂中活性金属的含量与体系绝热温度和压力之间的关系。计算结果表明,镁热和铝热燃烧合成反应均为强放热反应,体系的绝热温度可以很容易的实现3000K-4000K,并且体系的绝热温度和压力能够通过反应剂的含量来控制。绝热温度达到3400K时:镁热反应中Mg的质量百分含量为24%,体系压力为150MPa;铝热反应中Al的质量百分含量为16%,体系的压力为300MPa。在铝热燃烧合成体系中加入过量的Al后,会大幅度地降低铝热燃烧合成反应体系的压力,从理论上可降为常压。  ⑵利用镁热燃烧合成反应制备了ZrB2/SiC体系复合材料,研究了反应剂含量对燃烧合成产物微观组织的影响。利用镁热燃烧合成反应没能制备出ZrB2/SiC共晶陶瓷,主要是因为ZrB2和SiC所占的体积百分比过小,严重影响了共晶组织的形成;体系压力过大,使气体泄漏过快,体系迅速降温,导致了液态的ZrB2与SiC不能充分互溶,从而影响了共晶组织的形成。  ⑶采用铝热燃烧合成法成功制备了ZrB2/SiC体系的共晶复合陶瓷。在共晶组织中,ZrB2和SiC都是连续的,平均片层间距为1μm,SiC的平均摩尔百分含量为61%。ZrB2与SiC的体积比为1:1,形成了非规则片层状共晶组织。并研究了铝热燃烧合成法制备ZrB2/SiC体系的共晶复合陶瓷过程中,反应剂含量和SiC的粒径对共晶组织的影响规律:反应剂含量的升高会导致体系温度的升高,反应剂含量达到45%时体系完全熔化,但反应剂含量继续升高,会影响共晶组织的形成;SiC的粒径越大,使 SiC在短时间内难以完全熔化,导致制品的致密性越差,共晶组织越难以形成。  ⑷研究了ZrB2/SiC共晶陶瓷铝热燃烧合成的熔铸机理:高放热快速的燃烧合成反应,为体系提供了较高的温度,使材料在短时间内全部熔化,充分互溶,在快速凝固的条件下,形成精细的共晶组织。利用铝热燃烧合成反应,制备了ZrB2/WC体系的共晶陶瓷复合材料。在共晶组织中WC为连续相,ZrB2与WC的平均间距为0.5μm,WC的摩尔百分含量为63.4%。ZrB2与WC的体积比约为1:3,形成了非规则棒状共晶组织。
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