硼化锆陶瓷的氧化性及保留强度研究

摘要毕业论文层状强界面硼化锆陶瓷高温力学性能的研究.Abstract摘要强界面硼化锆陶瓷在高温下具有优良的性能，在较高的温度下具有足够高的强度以及抗氧化性能，是一种性能优异的高温陶瓷材料，广泛应用于可回收式航空航天飞行器领域中。

将强界面ZrB2-SiC材料抛光后置于不同温度下进行高温力学性能测试，在到达测试温度后进行保温30分钟后对其施加应力直到材料试样完全断裂为止，可以获得材料相应施加的最大力及其对应强度，并通过扫描电镜照片对测试后的试样表面和断口进行分析。

结果表明：在平行和垂直两个方向上，材料的弯曲强度是不同的，首先在平行方向上随着温度的升高而降低；在垂直方向上随着温度升高而降低，其强度在1200℃时有396.78MPa和435.90MPa，1500℃时强度达到最小值，为220.7MPa 和195.15MPa。

通过分析可得，垂直方向的弯曲强度高于平行方向，随温度升高弯曲强度会下降，但在1300℃时出现了一个最小值，是因为B2O3受热分解和材料本身受高温引起的缺陷共同作用引起的，垂直方向高于平行方向是由于材料的各向异性，垂直时强度比较大。

关键词：强界面陶瓷；热压烧结；弯曲强度；高温力学性能AbstractIt has excellent performance at high temperature, high strength or high oxidation resistance at relatively high temperature with the ceramic of strong interface and was a kind of high performance ceramic material with excellent performance. It is widely used in the field of recyclable .There was no doubt that the material was polished and placed at different temperatures.It can help us to test the high temperature mechanical properties. After the temperature was reached for 30 minutes, the test temperatuerwas reached, the stress was applied to the material until the material sample was completely broken. The maximum applied force. And the corresponding intensity will through the scanning electron microscope samples on the test after the sample surface and fracture analysis.The results showed that the bending strength of the material is different in both parallel and vertical directions, first decreases in the parallel direction .with increasing temperature,decreases of increasing temperature in the vertical direction, and its strength is at 1200 ℃, there are 396.78MPa and 435.90MPa two peaks, when the intensity reaches the minimum, 220.7MPa and 195.15MPa in 1500 ℃. With the analysis, the bending strength in the vertical direction was higher than the parallel direction, and the bending strength decreases with the temperature. However, there is a minimum value at 1300 ℃because B2O3was decomposed by heat and the defects caused by the high temperature of the material itself Caused by the vertical direction above the parallel direction. It is due to the anisotropy of the material, the vertical strength was relatively larged.Key words: strong interface of ceramics; sintering in hot pressing ; bending strength; the mechanical properties in high temperature摘要 (2)Abstract (3)第一章引言 (5)1.1本课题研究的背景与意义 (5)1.2 强界面ZrB2-SiC陶瓷原料的基本性质 (6)1.2.1 二硼化锆（ZrB2）的基本性质 (6)1.2.2 碳化硅（SiC）基本性质 (8)1.2.3 层状强界面硼化锆陶瓷中SiC的作用 (9)1.3 强界面ZrB2-SiC基陶瓷国内外研究现状 (9)1.4 强界面ZrB2-SiC 陶瓷性能的相关研究 (12)1.5 ZrB2基陶瓷增韧机理 (12)1.5.1 弥散增韧 (12)1.5.3 纤维增韧 (13)1.6 层状强界面硼化锆陶瓷的制备 (13)1.6.1 层状强界面硼化锆陶瓷的制备方法 (13)1.6.2强界面ZrB2-SiC陶瓷的烧结工艺 (14)1.7 ZrB2基陶瓷抗氧化研究 (16)1.8 本课题的主要研究内容 (17)第二章实验内容 (18)2.1实验原料及试剂 (18)2.2 实验仪器及设备 (18)2.3 层状强界面硼化锆陶瓷的制备 (19)2.3.1料浆的制备 (19)2.3.2 基体片的制备 (20)2.3.3 陶瓷的成型与烧结 (20)2.4 样品的分析与性能测试 (20)2.4.1 SEM微观结构观察 (20)2.4.2 高温弯曲强度测试 (21)第三章结果与讨论 (22)3.1 层状强界面硼化锆陶瓷的力学性能分析 (22)3.2 层状强界面硼化锆陶瓷的形貌 (23)3.3层状强界面硼化锆陶瓷试样SEM照片 (24)3.4 层状强界面硼化锆陶瓷试样表面观察 (25)3.6层状强界面硼化锆陶瓷载荷位移变化分析 (26)3.7高温测试后层状强界面硼化锆陶瓷的形貌 (28)第四章结论 (31)致谢 (35)第一章引言1.1本课题研究的背景与意义超高温材料[1]由于在极端环境中具有优异的物理化学性能，能够适应超高音速飞行，是作为可重复使用运载飞船领域最具有前途的候选材料之一。

万方数据４４材料导报：综述篇２００９年２月（上）第２３卷第２期１Ｚ啦陶瓷材料１．１Ｚ啦的结构与性质图２是Ｚｒ＆晶体结构示意图［３］。

ＺｒＢｚ是六方晶系Ｃ３２型结构的准金属结构化合物，属于间隙相共价键化合物。

硼的电离势较低，在同ｄ电子层高度与未饱和的金属锆形成化合物时，电子向金属的原子骨架靠拢，形成类似金属间化合物的金属相。

Ｂ原子尺寸较大，并且Ｂ与Ｂ可形成多种复杂的共价键。

晶体结构巾的硼原子面和锆原子面交替出现构成二维网状结构，这种类似于石墨结构的硼原子层状结构和锆外层电子结构决定了ＺｒＢ２具有良好的导电性和金属光泽。

离域大Ｊ１键中游离态的电子可迁移就决定了ＺｒＢ２具有良好的导电性和导热性，而硼原子面和锆原子面之间的Ｚｒ－Ｂ离子键以及Ｂ－Ｂ共价键的强键性决定了这种材料的高硬度、脆性和稳定性［４］，其基本性质见表１。

表１ｚｒＢ２的基本性质Ｔａｂｌｅ１ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＺｒ＆物性数值物性数值特量ｍ．８僦？蹦６。

晶体结构六方电阻系数／（１０３０Ｃ－１）１．７６点阵常数／Ａ篙．１５７３．显微硬度／ＧＰａ２３密度／（ｇ／ｃｍ３）６．１２弹性模量／ＧＰａ４８９（怒黑）｛【８．２抗弯强度／ＭＰａＪ４６。

封Ｉ釜喜竺二，３２４５耐熔融金Ａｌ、ｃａ、Ｍｇ、费学竖系擎：５．９”崔鬣苜１兰蠢茗、蔷、（Ｘ１０—６Ｋ一１）“７７—７冈”‘。

ｈ１“、。

“图２Ｚ喁晶体结构示意图Ｆｉｇ．２ＣｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＺｒＢｚ１．２ＺｒＢ２陶瓷的应用ｚｒＢ２具有极高的熔点、强度、硬度和导电率（且导电率温度系数为正），以及低的热膨胀系数，此外，还具有好的化学稳定性、捕集中子、阻燃、耐热、耐腐蚀和轻质等特殊性质，因此应用非常广泛［５．６］。

１．２．１耐火材料ＺｒＢ２是优良的特种耐火材料，可用作高温热电偶保护套管、冶金金属的坩埚、铸模等。

把硼化锆用作热电偶保护套管时，由于其气密性不太好及具有导电性，因此必须与氧化铝质内套管配合，才能进行有效的测温工作。

碳化硅-硼化锆复相陶瓷的增强研究江东亮;李雨林;王菊红;马利泰;杨熙【期刊名称】《硅酸盐学报》【年(卷),期】1990(18)2【摘要】研究第二相粒子硼化锆及其加入量变化对碳化硅-硼化锆复相陶瓷的强度和韧性的影响,同时探讨其氧化行为。

用光学、透射电镜和扫描电镜对复相陶瓷的微观结构、断裂行为进行分析讨论。

实验表明,材料性能不仅取决于组成变化而且与工艺条件有关。

在适当热压工艺条件下获得的性能表明,复相陶瓷(SiC-15vol.%ZrB_2)的断裂韧性比热压α-SiC要提高50％左右,达到6.5MPa·m^(1/2),弯曲强度仍能达到560MPa。

抗氧化性能与单相热压SiC比较,SiC-15vol.%ZrB_2在1280℃时氧化加速进行,安全使用应低于1150℃。

通过压痕裂缝扩展和拋光面上断裂时裂缝行进观察表明,裂缝分支和绕道可能是增韧的主要机制。

【总页数】7页(P123-129)【关键词】碳化硅;硼化锆;复相陶瓷;陶瓷;增强【作者】江东亮;李雨林;王菊红;马利泰;杨熙【作者单位】中国科学院上海硅酸盐研究所【正文语种】中文【中图分类】TQ174.758【相关文献】1.前驱体热解氮化硼/碳化硅复相泡沫陶瓷的抗氧化与高温隔热性能研究 [J], 沈志洵;戈敏;陈明伟;钱扬保;张伟刚2.无压烧结硼化锆基ZrB_2-SiC复相陶瓷的结构与性能 [J], 周长灵;程之强;王英姿;高冬云;孙成功;陈达谦3.原位合成碳化硅-硼化钛复相陶瓷的高温摩擦性能及其磨损机理 [J], 周松青;肖汉宁;李贵毓4.硼化锆基碳化硅复相陶瓷 [J], 周长灵;程之强;刘福田;孙成功;陈达谦;翟萍5.碳化硅晶须增强氧化锆复相陶瓷材料的组织观察 [J], 王双喜;雷廷权;林光涌;周玉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

ZrB2-SiC陶瓷的抗氧化性和保留强度研究Wei-Ming Guo, Guo-Jun Zhang摘要：对ZrB2–10 vol% SiC (ZB10S) 和ZrB2-30 vol% SiC (ZB30S)氧化研究以及氧化后常温下弯曲强度影响的研究。

氧化实验在空气气氛1500℃下保持0.5-10h。

ZB10S和ZB30S的氧化层都是有最外层的玻璃层和里层较厚的SiC缺失层。

测量氧化增重、玻璃层厚度以及SiC缺失层厚度。

研究表明延伸的SiC缺失层显示了抗氧化性的提高。

与ZB10S相比ZB30S的玻璃层具有更快速的增长和低的ZrO2含量。

因为产生的玻璃相可以修复表面缺陷，使得氧化后的试样显著提高，经过0.5h的氧化ZB10S强度提高110%ZB30S提高了130%。

1：简介在超高温陶瓷中，由于ZrB2陶瓷具有低理论密度、高的熔点和热导率而广泛的应用于热防护系统和高超声速飞行器超燃冲压发动机组件的一部分。

当硼化锆处于高温空气是，与氧反应生成ZrO2和B2O3:由于高温蒸汽压，氧化硼在1100℃蒸发：由于氧化硼的挥发，使得表面留下一个多孔的ZrO2层，这导致了在1400℃以上有一个现行快速的氧化机理。

因此单相的硼化锆超高温陶瓷都具有很差的抗氧化性。

研究表明添加SiC可以提高硼化锆陶瓷的抗氧化性。

在1100℃以上SiC与氧气发生如下反应，反应生成的SiO2、B2O3形成了硼硅酸盐液体包裹在试样表面。

随着温度的升高，氧化硼挥发形成了富SiO2玻璃层，由于SiO2比B2O3具有明显的低挥发性和高粘度，富SiO2玻璃层可以有效提高1100℃以上ZrB2-SiC陶瓷的抗氧化性。

在过去的5年中，来自美国意大利中国的很多团队都对ZrB2-SiC陶瓷的抗氧化性进行了研究。

Fahrenholtz等人对1500℃氧化的ZrB2-SiC陶瓷的氧化层结构进行了研究。

他们指出经典的三层结构（1）ZrO2玻璃层，（2）ZrO2–SiO2薄层（3）碳化硅缺失层。

ZrB2-SiC超高温陶瓷的抗氧化性能及制备方法蒋雯（北京理工大学材料学院材料科学与工程专业，北京 100081）摘要针对目前研究热门的ZrB2—SiC复合材料，本文分析了它从700℃到1900℃以上的氧化行为，说明1900℃是这种材料能承受的极限温度。

进而具体阐述了ZrB2-SiC材料能抗高温氧化的原因，即氧化过程中能产生三种致密氧化膜，阻止氧气向材料内部扩散，从而实现它的高温抗氧化。

另外，本文还分析了SiC对ZrB2—SiC抗氧化性能的影响。

最后总结了制备该种材料的方法。

关键词：ZrB2-SiC；高温抗氧化；制备方法由于ZrB2—SiC复相陶瓷是一种抗氧化、抗烧蚀、在极端温度环境下(2000℃以上)具有良好高温力学性能的超高温陶瓷材料，因此它成为超高温应用领域最具潜力的候选材料，如新型空间飞行器及其运载工具的防热系统，战略导弹的关键材料以及载人式飞船鼻椎、喷嘴和机翼前缘部件材料等。

美国宇航局（NASA）分別在1997年和2001年针对HfB2-SiC、ZrB2-SiC 和ZrB2-SiC-C超高温陶瓷进行了两次超声速飞行试验（SHARP-B1、SHARP-B2），分別将其应用于飞行器的鼻椎和翼前缘部分[1]。

因此，ZrB2—SiC的应用十分具有潜力，是一种值得研究的超高温陶瓷材料。

本文将介绍了ZrB2—SiC的氧化过程，阐述了它的抗氧化机理，并对SiC对它的抗氧化性能的影响进行了讨论。

最后，介绍了目前制备ZrB2—SiC的方法。

1 ZrB2-SiC的氧化过程ZrB2和SiC暴露在空气中时都会发生氧化，反应如下[2]：2ZrB2(s)+5O2(g)=2ZrO2(s)+2B2O3(s)SiC(s)+2O2(g)=SiO2(s)+CO2(g)SiC(s)+3/2O2(g)=SiO2(s)+CO(g)SiC(s)+O2(g)=SiO2(s)+C(s)SiC(s)+3/2O2(g)=SiO(g)+CO2(g)但是，这两种物质在700℃以下时的氧化速率都是微小的。

二硼化锆(ZrB2)粉体市场发展现状引言二硼化锆（ZrB2）粉体是一种重要的陶瓷材料，具有高熔点、高硬度和优良的导热性能，广泛应用于腐蚀环境和高温环境下的耐磨、耐热、电子、航空航天等领域。

本文旨在探讨二硼化锆粉体市场的发展现状，并分析市场所面临的机遇和挑战。

二硼化锆粉体市场发展概述近年来，二硼化锆粉体市场呈现出快速发展的态势。

主要驱动因素包括对高温耐磨陶瓷材料的需求增加、航空航天行业的发展以及技术创新的推动。

1. 高温耐磨陶瓷材料需求增加随着工业生产水平的不断提高，对高温耐磨陶瓷材料的需求不断增加。

二硼化锆粉体由于其优异的耐热性能和硬度，成为制备高温陶瓷材料的理想选择。

其广泛应用于冶金、化工、能源等行业，推动了二硼化锆粉体市场的发展。

2. 航空航天行业的发展航空航天行业对材料的性能要求极高，对于高温耐磨性能优良的陶瓷材料的需求不断增加。

二硼化锆粉体在航空航天行业中被广泛应用于燃烧室、导弹喷管、发动机涡轮等部件的制造，促进了市场的快速发展。

3. 技术创新的推动随着科技的不断进步和创新，制备二硼化锆粉体的技术不断改进和发展。

高纯度的二硼化锆粉体制备技术、粒度控制技术、成型和烧结工艺的改进，都为二硼化锆粉体市场的发展提供了有力支撑。

二硼化锆粉体市场的机遇和挑战1. 机遇（1）不断增长的需求随着工业技术的进步和应用领域的扩大，对于高性能陶瓷材料的需求将持续增长。

二硼化锆粉体作为一种具有优异性能的材料，将受益于不断增长的市场需求。

（2）技术创新带来的发展机遇技术创新在驱动市场发展方面起着重要的作用。

随着制备工艺和性能改进的不断推进，二硼化锆粉体的应用范围将进一步拓展，从而为市场带来更多的机遇。

2. 挑战（1）市场竞争加剧随着市场的规模扩大，竞争也日益激烈。

二硼化锆粉体市场存在一些竞争对手，如氮化硅、氧化锆、碳化硅等材料，这些材料也具有一定的耐磨性能，对市场份额的争夺将是一个挑战。

（2）原材料成本的不稳定性二硼化锆粉体的制备需要消耗大量的原材料，如氧化锆和硼酸等。

第27卷　第5期Vol 127　No 15材　料　科　学　与　工　程　学　报Journal of Materials Science &Engineering 总第121期Oct.2009文章编号:167322812(2009)0520793205硼化锆基超高温陶瓷材料的研究进展闫永杰1,张　辉1,2,黄政仁1,刘学建1(1.中国科学院上海硅酸盐研究所,上海　200050;2.中国科学院研究生院,北京　100049) 【摘　要】　由于在极端环境中具有优异的物理化学性能,超高温陶瓷成为未来高超声速飞行和可重复使用运载飞船领域最具前途的候选材料之一。

本文对硼化锆基超高温陶瓷材料粉体合成、烧结致密化和高温热机械性能(主要为抗氧化和抗烧蚀性能)研究方面作了综合评述,对材料研究和应用方面存在的问题作了初步总结,期望能够为推动超高温陶瓷材料的实际应用起到一定的指导意义。

【关键词】　超高温陶瓷;致密化;抗氧化;抗烧蚀中图分类号:TB335 文献标识码:AR esearch and Development of Z rB 22based U ltra 2highT emperature CeramicsYAN Yong 2jie 1,ZHANG H ui 1,2,HUANG Zheng 2ren 1,L IU Xue 2jian 1(1.Shanghai Institute of Ceramics ,Chinese Academic of Sciences ,Shanghai 200050,China ;2.G radu ate School of the Chinese Academy of Sciences ,B eijing 100049,China)【Abstract 】　Ultra 2high temperature ceramics (U H TC )have become one of the potential strategic materials in the fieldsof f uture hypersonic flights and reusable launch vehicles due to their excellent physical and chemical properties in the extreme environments.Powder synthesis process ,sintering ,high temperature thermo 2mechanical properties ,especially oxidation and ablation resistances were systemically reviewed.Also ,the problems in the material research and applications were preliminarily summarized.It is expected this will provides some guidance for propelling the practical applications of the U H TCs materials.【K ey w ords 】　ultra 2high temperature ceramics ;densification ;oxidation resistance ;ablation resistance收稿日期:2008212215;修订日期:2009203223基金项目:国家自然科学基金资助项目(50632070)作者简介:闫永杰(1981-),男,助理研究员。

硼化物陶瓷材料的制备与力学性能研究引言：硼化物陶瓷材料是目前研究的热点之一，具有优异的力学性能和高温稳定性。

本文分别从硼化物陶瓷材料的制备方法和力学性能两个方面进行探讨，并通过实例说明相关的研究成果。

一、硼化物陶瓷材料的制备方法硼化物陶瓷材料的制备方法主要包括热压烧结法、反应烧结法和热喷涂法等。

其中，热压烧结法是一种广泛应用的方法。

热压烧结法的制备过程主要包括：粉体制备、混合和形成坯体、热压成型和烧结过程。

在粉体制备阶段，可以采用机械合成法、气相沉积法和化学气相沉积法等不同的方法。

而在热压成型和烧结过程中，影响陶瓷材料性能的因素主要有热压工艺参数、热处理工艺和陶瓷材料组分等。

二、硼化物陶瓷材料的力学性能研究硼化物陶瓷材料展现出了许多优秀的力学性能，例如高硬度、高熔点、抗氧化性能好等。

这些特性使其成为各种高性能应用的理想材料。

在力学性能研究中，主要关注的参数包括硬度、强度和断裂韧性等。

硬度是衡量材料抵抗压入其他物体的能力。

硼化物陶瓷材料通常具有较高的硬度，因为硼化物材料具有一定的离子键和共价键，这导致了其在固态中的高硬度。

通过硬度测试，可以评估硼化物陶瓷材料的抗划伤性能。

强度是材料抵抗外界力作用下发生变形或破坏的能力。

硼化物陶瓷材料具有较高的强度，特别是在高温环境下，硼化物材料表现出了极高的抗压、抗弯和抗拉强度。

这些性能使其在航空航天、汽车和能源等领域中得到了广泛的应用。

断裂韧性是材料承受断裂破坏过程中吸收能量的能力。

硼化物陶瓷材料通常具有较低的断裂韧性，这是由于其具有脆性的特性。

因此，在使用硼化物陶瓷材料时，需要注意避免过大的应力集中和缺陷。

结论：硼化物陶瓷材料的制备与力学性能研究对于材料科学与工程领域具有重要意义。

通过不断改进制备方法和提高力学性能，可以推动硼化物陶瓷材料在高性能应用中的广泛应用。

未来的研究可以进一步关注硼化物陶瓷材料的微结构与力学性能的关系，以及探索新的改进方法和应用领域。

参考文献：[1] Lauvray A, Elissalde C, Peigney A, et al. Pressureless sintering and mechanical properties of boron carbide with sintering additives[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2011, 31(14): 2631-2637.[2] Zhu X, Li C, Kang L, et al. Toughening of nanostructured boron carbide/copper composites synthesized by spark plasma sintering[J]. Ceramics International, 2017,43(14): 11768-11774.[3] Wang X, Li X, Hui M, et al. Preparation of mullite composite ceramics by combustion synthesis with boron carbide addition[J]. Ceramics International, 2013, 39(8): 8773-8779.。

三元硼化物金属陶瓷抗氧化三元硼化物金属陶瓷是一种重要的材料，在高温、高压或极端环境下具有出色的性能和稳定性。

这种材料由三种金属元素和硼元素构成，可以通过不同的合成方法来获得。

在本文中，我将详细介绍三元硼化物金属陶瓷的抗氧化性能。

首先，我们来看看三元硼化物金属陶瓷的基本组成。

这种材料由三种金属元素和硼元素组成，通常是过渡金属和贵金属如钛、锰、铝等。

这些金属元素具有良好的高温稳定性和高抗氧化性能。

硼元素作为一种非金属元素，能够增强材料的硬度和抗磨损性能。

因此，三元硼化物金属陶瓷结构的设计使其具有出色的抗氧化性能。

其次，三元硼化物金属陶瓷具有良好的抗氧化性能。

在高温或高压环境下，材料表面容易出现氧化反应。

然而，三元硼化物金属陶瓷能够抵抗氧化反应，保持材料的原始性能。

这主要归功于材料中金属元素和硼元素的特殊结构和成分。

金属元素能够形成氧化层，并与环境中的氧气相互作用，阻止氧气进一步渗透到材料内部。

硼元素则能够形成硼氧化物层，进一步阻止氧气的渗透。

因此，三元硼化物金属陶瓷能够在高温或高压环境下维持稳定的性能，并延长材料的使用寿命。

此外，三元硼化物金属陶瓷还具有其他优异的性能。

首先，它具有优异的导热性能。

这得益于材料中金属元素的良好导热性。

这使得三元硼化物金属陶瓷在高温环境下能够快速传输热能，并保持材料的稳定性。

其次，它具有优异的机械性能和硬度。

三元硼化物金属陶瓷具有良好的强度和硬度，能够抵抗压力和磨损。

这使得它在极端环境下能够承受高压和高负荷。

最后，它还具有优异的化学惰性。

三元硼化物金属陶瓷对酸、碱等化学物质具有很好的抗腐蚀性能，能够在恶劣的化学环境下保持稳定。

总之，三元硼化物金属陶瓷是一种具有出色抗氧化性能的材料。

它由三种金属元素和硼元素组成，能够保持原始性能，并在高温、高压或极端环境下保持稳定性。

此外，它还具有优异的导热性能、机械性能和化学惰性。

因此，在航空航天、能源、化工等领域具有广泛的应用前景。

随着科学技术的进步，三元硼化物金属陶瓷的性能还将不断改善和优化，为更多领域的应用提供支持。