用ZrC增强的超高温复合材料

　用难熔碳化物ZrC、HfC、TaC制备的陶瓷复合材料是一类最富潜力的非氧化物高温结构材料。HfC和TaC由于价格昂贵、制备技术和设备要求很高,其大规模使用受到限制。而ZrC价格相对较低,同时也具有碳化物陶瓷优异的性能,如高熔点(3420℃)、高硬度(显微硬度为26GPa)和优良的导电(常温下电导率为78×10-6Ω·cm)、导热(热导率为20W/(m·K))等性能,故ZrC陶瓷复合材料被认为是一种极具生命力和发展潜力的现代化工程结构材料,有望在民用、军事等领域获得广泛应用。

　　ZrC一般多与其他材料复合使用,主要作为增强相加入到其他材料中改善它们的性能。把ZrC作为增强相加入到其他陶瓷材料基体中,可提高材料的强度、韧性、抗氧化性能及抗热震性能等,使这些复合陶瓷材料具备单相物质所不具有的优异性能,从而扩大了其应用范围。

　　一. ZrC-ZrB2陶瓷复合材料

　　据报道,ZrB2和ZrC之间有很好的相容性,这可以显著提高材料的烧结性和力学性能。通过定向凝固制备层片状的ZrC-ZrB2共晶材料,具有高的显微硬度(24.02GPa)和断裂韧性(5.44MN/m3/2)。将ZrB2、B4C、Zr混合,并加入聚乙二醇作为结合剂,用液相浸透反应法可制备ZrB2/ZrC/Zr致密材料(1900℃、10h真空炉烧成),复合材料的断裂韧性为11.5MPa·m1/2,抗弯性能为570MPa。

　　二.ZrB2-ZrC-SiC陶瓷复合材料。

　　ZrB2-SiC复合材料具有高的强度和抗氧化性,SiC的加入有利于ZrB2的烧结。调整SiC的含量可以很好地优化其结构和氧化烧蚀性能。将ZrC加入到ZrB2-SiC体系中,形成了三元ZrB2-SiC-ZrC复合材料,改善了ZrB2-SiC体系的显微组织和性能,尤其是高温的抗烧蚀性能。三元陶瓷的综合性能优于ZrB2-SiC,材料的最佳配方是ZrB2、ZrC、SiC三组元的体积比为64∶20∶16。另有报道,采用原位反应合成法,经过热压烧结,将Zr、SiB4、石墨混合可制得ZrB2-SiC-ZrC复合陶瓷,当ZrB2与SiC的物质的量比为2时,复合陶瓷具有最好的抗氧化性能,与纯ZrB2相比,抗氧化性能大大提高。

　　三.ZrC-TiB2共晶材料。

　　共晶定向凝固可以产生有序排列,而且与单一成分或传统方法制备的任意方向复合材料相比,原位内生复合材料具有高度热稳定性、半连贯和连贯的相间粘结以及高的强度。金属碳化物和硼化物高度难熔的本质和优异的力学性能使这些有序排列的共晶材料具有尤为重要的研究价值。研究表明,定向凝固复合材料的力学性能优于单一组分的材料。