| 题名 | 锆铝碳和铪铝碳陶瓷的合成、微观结构与性能 |
| 作者 | 何灵峰 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-25 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 包亦望 |
| 关键词 | 超高温陶瓷 合成 力学性能 热学性能 高温氧化 |
| 其他题名 | Synthesis, Microstructure and Properties of Zironium Aluminum Carbides and Hafnium Aluminum Carbides |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | 二元过渡金属碳化物ZrC和HfC具有高的熔点，较好的抗热震性，较高的高温强度，以及良好的化学稳定性，是理想的超高温结构材料。然而，ZrC和HfC的本征脆性和较差的高温抗氧化性限制了它们作为高温结构材料的应用。在TiC中引入Al形成的Ti-Al-C陶瓷具有高的韧性和优异的高温抗氧化性能，但在1000oC以上它们具有较低的高温刚性和强度。本论文从Ti-Al-C陶瓷得到启示，通过在ZrC和HfC中加入Al合成了三元Zr-Al-C和Hf-Al-C陶瓷，并系统研究了它们的微观结构、力学和热学性能以及抗氧化性能，从而为深入地理解这类材料“合成-结构-性能”之间的关系奠定了一定的基础。 以Zr-Al合金和C粉为原料在1500oC反应合成了高纯Zr3Al3C5粉体并研究了Zr3Al3C5粉体的氧化行为。与ZrC粉体相比，Zr3Al3C5粉体具有更高的起始氧化温度，因此具有更好的抗高温氧化性能。利用液相烧结的原理，提出了以Zr、Al和C粉为原料，以Si和Y2O3为烧结助剂在1750oC原位反应热压制备高纯高致密Zr3Al3C5陶瓷的方法。合成的Zr3Al3C5陶瓷具有细的晶粒尺寸和各向异性的微观结构，具有比ZrC更高的室温强度和韧性，而且它具有优异的高温刚性，在1600oC的杨氏模量是室温的78%。此外，Zr3Al3C5陶瓷还是电和热的良好导体，但由于存在多种电子和声子的散射机制，它比ZrC具有更高的电阻率和更低的热导率。 以Zr、Al和C粉为原料在1900oC原位反应热压并在1600oC真空处理合成了高纯致密的Zr2Al3C4陶瓷。合成的Zr2Al3C4具有与Zr3Al3C5相似的微观结构、力学和热学性能。Zr2Al3C4陶瓷在1600oC的刚性和在1400oC的强度接近室温值的80%。Zr2Al3C4陶瓷在600~800oC氧化动力学遵循抛物线规律，在800oC以上逐渐转变成直线规律。通过包埋渗Si的方法使Zr2Al3C4陶瓷表面生成ZrSi2/SiC涂层，显著地提高了Zr2Al3C4陶瓷的高温抗氧化性。利用感应加热技术表征了Zr2Al3C4陶瓷在1600和1750oC的超高温氧化行为。由于氧化时生成了多孔的ZrO2/Al2O3膜，Zr2Al3C4陶瓷在超高温的氧化动力学仍然遵循直线规律。 以Zr、Al、Si和C粉为原料合成了高纯致密的Zr2[Al(Si)]4C5和Zr3[Al(Si)]4C6固溶体陶瓷。利用透射电镜技术确定了Zr-Al-Si-C化合物的空间群为R3m，并研究了它们的微观结构。Zr-Al-Si-C陶瓷与Zr-Al-C陶瓷具有相似的力学和热学性能，而且这些性能主要受Zr-C和Al-C结构单元影响。厚的Zr-C片层或者薄的Al-C片层有利于层状碳化物刚性、硬度、热导率和电导率的提高，但同时也会导致比刚性、德拜温度和热膨胀系数的降低。Zr-Al-Si-C陶瓷具有优异的高温刚性和强度，是潜在的高温结构材料。研究和比较了Zr2[Al(Si)]4C5、Zr3[Al(Si)]4C6和Zr2Al3C4陶瓷在900~1300oC之间的高温氧化行为。三种陶瓷在氧化过程中，由于氧化膜内的缺陷逐渐贯穿，氧化动力学从初期的抛物线规律逐渐变成直线规律。Zr-Al-Si-C陶瓷具有比Zr2Al3C4更高的氧化激活能和更低的氧化速率，从而具有更好的高温抗氧化性。此外，合成了Zr2[Al(Si)]4C5-30 vol% SiC复合材料，改善了Zr2[Al(Si)]4C5陶瓷的力学和热学性能。 在Hf-Al-C体系中发现了Hf3Al4C6和Hf2Al4C5两种新化合物，利用X射线和Z衬度高分辨技术确定了它们的晶体结构。利用原位反应热压技术合成了含Hf3Al3C5、Hf3Al4C6和Hf2Al4C5的Hf-Al-C复合材料，并对它的微观结构、力学性能、热学性能以及高温氧化性能进行了研究。Hf-Al-C复合材料的刚性和硬度低于HfC，但它的韧性和强度优于HfC，而且具有优异的高温刚性，是潜在的高温结构材料。Hf-Al-C复合材料的比热约为HfC的两倍，但其热导率较低。Hf-Al-C复合材料氧化时Hf和Al发生非选择性氧化，生成多孔氧化膜，氧化动力学遵循直线规律。 根据Zr-Al-C陶瓷非选择性氧化的特征，提出了一种新的制备ZrO2-Al2O3复相陶瓷的方法。以Zr2Al3C4粉为前驱体制备纳米晶ZrO2-Al2O3复相粉体，然后在1100~1500oC热压烧结复相粉体制备了纳米晶和亚微米晶ZrO2-Al2O3复相陶瓷，并研究了合成过程中的相演变和微观结构，表征了复相陶瓷的密度和硬度。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 253 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17129]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 何灵峰. 锆铝碳和铪铝碳陶瓷的合成、微观结构与性能[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2009. |
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