ZrO2p(3Y)/BN-SiO2陶瓷复合材料组织结构与性能研究

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本文以h-BN、非晶SiO2、ZrO2粉体为原料,在不同烧结温度条件下热压烧结制备了不同组分的ZrO2p(3Y)/BN-SiO2陶瓷复合材料。利用XRD、SEM、TEM等分析手段和三点弯曲、单边切口法、淬水热震和等离子体发动机等离子体羽流侵蚀等技术,系统研究了烧结温度和ZrO2含量对其显微组织、力学性能、热学性能、抗热震性能和抗等离子体侵蚀性能的影响规律及机理。结果表明,经热压烧结制备的陶瓷复合材料中,主要由h-BN、(m-ZrO2+t-ZrO2)和非晶SiO2组成,未发现引起材料性能下降的ZrSiO4相生成。h-BN晶粒为层片状,大量片层状BN的周围填充着非晶SiO2,同时还能看到少量的ZrO2颗粒。随ZrO2含量的增加,复合材料中t-ZrO2的相对含量逐渐增加。随着烧结温度提高,复合材料的致密度提高,最高达到97.5%。复合材料的抗弯强度、弹性模量和断裂韧性也随烧结温度的提高而增大的,1800℃烧结的材料可以达到229.9MPa、60.8GPa和3.55MPa·m1/2;随ZrO2含量的增加,复合材料的致密度、抗弯强度、弹性模量增加,ZrO2体积含量为20%时,其数值分别为96.63%、320.6MPa、92.3GPa,而复合材料的断裂韧性则呈现先升高后下降的趋势,ZrO2体积含量为15%时达到最大值3.6MPa·m1/2。随烧结温度的提高和ZrO2含量的降低,复合材料热扩散系数和热导率逐渐升高;烧结温度对材料的热膨胀系数影响不大,而ZrO2含量的增加则使复合材料热膨胀系数呈现上升的趋势。该系陶瓷复合材料热震后强度均有所降低,随烧结温度的提高,复合材料的抗热震性有大幅度的升高,烧结温度为1800℃时,1100℃温差热震后的残余抗弯强度仍能保持其原始抗弯强度的79.3%。ZrO2p(3Y)/BN-SiO2陶瓷复合材料表现出良好的抗等离子体侵蚀性能,随烧结温度的提高,材料的抗等离子体侵蚀性能逐渐提高,1800℃烧结的复合材料其侵蚀速率为8.03×10-3mm/h;ZrO2含量增加,材料的抗等离子体侵蚀性能先降低后升高,当其体积含量达到20%时,其侵蚀速率为1.48×10-2mm/h。
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