超高温ZrB2基陶瓷材料的高温抗氧化性能研究

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高温部件的雷达隐身是制约飞行器全向隐身的关键技术。由于磁性材料居里点的限制以及电损耗型材料吸波频段较窄的限制,传统隐身材料难以满足高温部件雷达隐身的应用需求。利用超材料的谐振机理有望突破传统高温隐身材料的局限性,实现高温部件的雷达隐身。稳定的高温导电性能是超材料获得稳定高温电磁性能的前提,然而导电材料的氧化会严重恶化高温导电性能。因此,发展高温下具有优异抗氧化性能的高温材料具有十分重要的意义。金属材料的高温抗氧化性能差,极大地限制了其高温应用。本文以ZrB2陶瓷为基体,利用第二相材料LaF3来提升ZrB2基陶瓷的高温抗氧化性能。结合晶体结构、显微形貌和结构以及热稳定性分析等测试,系统地研究了原位包覆改性ZrB2@LaF3复合陶瓷体和掺杂改性ZrB2+LaF3复合陶瓷体的高温氧化行为,结合氧化动力学分析,深入探讨了改性处理复合陶瓷体的高温抗氧化机理,为ZrB2-LaF3复合涂层抗氧化性能的提升奠定了材料支撑和理论基础。利用高热焓大气等离子喷涂系统制备了ZrB2基陶瓷涂层,研究了喷涂功率对ZrB2-LaF3复合涂层高温抗氧化性能的影响规律,结合热稳定性分析,探讨了ZrB2基陶瓷涂层的高温氧化特性和氧化动力学特点,证实了LaF3的引入有助于ZrB2基陶瓷涂层高温抗氧化性能的提升。此外,研究了改性处理对ZrB2基陶瓷块体/涂层电学性能的影响,揭示了ZrB2-LaF3复合涂层具备良好而稳定的高温导电性能,具有作为RCS减缩层周期性结构材料的应用潜力。本论文的主要研究内容和创新性如下:(1)利用原位包覆法对ZrB2陶瓷进行“预防型”保护,开展了包覆改性ZrB2@LaF3复合陶瓷高温氧化的相关研究。设计LaF3与B2O3在800~1400℃温度范围内的验证实验,揭示了ZrB2@LaF3复合陶瓷氧化反应产物的演变规律。通过XRD、SEM、EDS和TG-DSC等表征手段揭示LaF3包覆层减缓了ZrB2@LaF3复合陶瓷的氧化速度,结合氧化动力学探究了ZrB2@LaF3复合陶瓷的高温氧化演变模型及原位反应包覆抗氧化机理,证实了LaF3具有提升ZrB2基陶瓷材料抗氧化性能的潜力。(2)利用掺杂法对ZrB2陶瓷进行“响应型”保护,开展了掺杂改性ZrB2+LaF3复合陶瓷高温氧化的相关研究。通过1000~1400℃温度范围内分别氧化1 h、4 h和8 h,研究了第二相体积比、氧化时间和氧化温度对ZrB2+LaF3复合陶瓷抗氧化性能的影响规律,结合氧化动力学分析探究了ZrB2+LaF3复合陶瓷的高温氧化演变模型和氧化诱导自修复抗氧化机理,揭示掺杂改性法能显著提升ZrB2基陶瓷材料的抗氧化性能,对ZrB2-LaF3复合涂层高温抗氧化性能的提升具有重要的指导意义。(3)基于LaF3的改性处理方法和体积比对ZrB2基陶瓷材料抗氧化性能的影响机理和规律,制备了ZrB2-LaF3复合粉末。利用高热焓大气等离子喷涂系统制备了ZrB2基陶瓷涂层。结合XRD、SEM、EDS、密度和氧化前后的宏观特性等,重点研究了喷涂功率对ZrB2-LaF3复合涂层抗氧化性能的影响规律,确定了涂层的最佳喷涂功率为75 k W。1000℃氧化30 min后,ZrB2陶瓷涂层和ZrB2-LaF3复合涂层的氧化层厚度分别约为100μm和10μm,ZrB2-LaF3复合涂层的增重更低。LaF3的加入显著降低了ZrB2基陶瓷涂层的氧化层厚度并减少了氧化增重,提升了涂层的高温抗氧化性能。利用Flynn-Wall-Ozawa法和Malek法确定了ZrB2基陶瓷涂层氧化过程中的活化能以及最概然动力学机理函数,对比分析了ZrB2陶瓷涂层和ZrB2-LaF3复合涂层的氧化动力学。结合实验结果和理论分析,阐明了等离子喷涂过程对ZrB2晶体结构的影响,揭示了ZrB2-LaF3复合涂层的高温抗氧化机理。(4)研究了改性处理对ZrB2基陶瓷块体/涂层电学性能的影响。结合组分含量、相对密度以及晶粒大小、组分分布、颗粒烧结和孔隙特征等微观结构探讨了包覆改性ZrB2@LaF3复合陶瓷和掺杂改性ZrB2+LaF3复合陶瓷的电阻率特性,以及温度变化对ZrB2基陶瓷块体电阻率的影响,为ZrB2基陶瓷涂层高温电学性能的研究提供了理论支撑。高温氧化过程中,ZrB2陶瓷涂层和ZrB2-LaF3复合涂层的电阻率分别为2.0×10-3Ω·m~7.0Ω·m和3×10-4~1.4×10-3Ω·m。等温氧化后,ZrB2陶瓷涂层和ZrB2-LaF3复合涂层的室温电阻率分别为1.3×10-1Ω·m和6.7×10-3Ω·m。LaF3的添加不仅降低了ZrB2基陶瓷涂层的高温电阻率,而且还提升了涂层高温导电性能的稳定性。因此,ZrB2-LaF3复合涂层具有作为RCS减缩层高温导电材料的应用潜力。本论文的研究工作对ZrB2基陶瓷材料高温抗氧化性能的提升具有指导作用,丰富了ZrB2基陶瓷材料的电学性能研究,为ZrB2基陶瓷涂层在尾喷管RCS减缩层的应用提供了理论基础和实验支撑,为飞行器高温部件的雷达隐身应用探索出了新的材料体系。
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