含高导石墨纤维的ZrB2基超高温陶瓷的制备及性能研究

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ZrB2基超高温陶瓷材料具有耐高温、耐烧蚀、抗冲刷等优良特性,被广泛的应用于航空航天领域,成为适用于极端环境下的新型耐高温结构材料。本研究针对ZrB2-SiC复合材料的较低韧性、低热导率及低抗热冲击性能的缺点,向ZrB2-SiC复合材料添加高导石墨纤维,采用1950℃和1850℃两种烧结温度、30MPa惰性气体保护热压烧结出致密的ZrB2-SiC-Gf(ZSGf)超高温陶瓷基复合材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、及能谱分析(EDS)等对ZSGf复合材料的组织结构和性能进行了研究。研究了烧结温度对ZSGf复合材料致密度的影响,相同组分条件下,1950℃烧结温度制备材料的致密度要高于1850℃烧结温度制备材料的致密度;ZSGf复合材料致密度随着高导石墨纤维含量的增加而降低。相同含量高导石墨纤维时,高温有助于提高材料的弯曲强度;两种烧结温度制备的ZSGf复合材料的弯曲强度及断裂韧性随着高导石墨含量的增加而降低,当高导石墨含量大于20vol%时,弯曲强度下降非常明显而断裂韧性还有略微增加的趋势。测试分析了ZSGf复合材料的热物理性能,包括比热容、热扩散系数及热导率。用DSC测试方法获得材料的比热容,其中选取蓝宝石作为测试标样;两种烧结温度制备的ZSGf复合材料的热扩散系数随着高导石墨纤维含量的增加而增加;相同组分条件下,平行于热压面方向上1950℃制备材料的热扩散系数要高于1850℃制备材料的热扩散系数,垂直于热压面方向上1850℃制备材料的热扩散系数要高于1950℃制备材料的热扩散系数;两种烧结温度制备的ZSGf复合材料垂直于热压面方向上的热扩散系数要高于平行于热压面方向上的热扩散系数;同样两种烧结温度制备的ZSGf复合材料垂直于热压面方向上的热导率要高于平行于热压面方向上的热导率。采用氧乙炔烧蚀实验评价ZSGf复合材料的抗热冲击和抗氧化性能。试样经氧乙炔烧蚀270S后,表面温度最高达到2300℃,试样表面没有明显的裂纹和断裂损伤,说明材料的抗热冲击性能及抗氧化性能良好;适当提高石墨纤维有助于提高材料的抗热冲击性能,过量高导石墨纤维因使材料力学性能下降导致材料抗热震性能下降。
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