预氧化对zrb2 sic g超高温陶瓷材料力学性能及抗热震性的影响.docx

Classified Index: TB332 :
Dissertation for the Master Degree in Engineering
THE EFFECT OF PRE-OXIDATION ON THE MECHANICAL PROPERTIES AND THERMAL SHOCK RESISTANCE OF ZrB2-SiC-G ULTRA HIGH TEMPERATURE CERAMICS
Candidate:
Du Xuefei
Supervisor:
Prof. Zhang Xinghong
Academic Degree Applied for:
Master of Engineering
Speciality:
Material Science
Affiliation:
Center posite Materials
Date of Defence:
July, 2012
Degree-Conferring-Institution:
Harbin Institute of Technology
摘 要
作为非烧蚀型超高温材料中的一种,ZrB2 基超高温陶瓷材料由于其良好的抗氧化性、低密度等优异性能被广泛的应用于高超音速飞行器的鼻锥、翼前缘等关键部位,但作为陶瓷材料,它仍然具有陶瓷脆性大、韧性低的共有缺点,从而影响材料的强度和抗热震性。结合高超声速飞行器的使用环境来考虑,亟需将材料的这些性能进行提高。
本文采用的材料体系为 ZrB2-SiC-G 超高温陶瓷材料,以 ZrB2 基超高温陶瓷材料在不同温度下氧化反应会得到不同产物及表面结构这一现象为研究背景,结合抗热震理论,利用三点弯曲法及扫描电镜等分析测试方法,采用水淬-残余强度法, 研究预氧化处理对材料的力学性能及抗热震性的影响,探索材料的预氧化处理工艺条件。
本文首先研究了预氧化温度对材料强度的影响,在中低温(800~1100℃)和高温(1200~1500℃)两个预氧化温度区域间,对裂纹起主要弥合作用的氧化产物分别为 B2O3 和 SiO2,其中预氧化处理最佳温度分别为 900℃和 1400℃,强度相应提高了 56MPa 和 24MPa。其次,研究了预氧化时间(15min~2h)对材料强度的影响,其中预氧化处理时间为 1h 时,效果最好。在研究了预氧化处理对材料力学性能影响的基础上,本文进一步探讨了预氧化处理对材料抗热震性的影响,其中首先研究了预氧化温度(1200~1500℃)对材料抗热震性的影响,随着预氧化温度提高,材料抗热震性提高。未预氧化试样临界热震温差为 ℃,而预氧化处理后材料的临界热震温差分别提高为 ℃,℃,℃,℃。其次研究了预氧化时间(30min~2h)对材料抗热震性的影响,随着预氧化时间增加, 材料抗热震性提高。同时,材料表面氧化层厚度增加与材料抗热震性提高的趋势保持一致,抗热震性的提高是表面氧化层对材料的强度提高和热障作用的共同结果。结合预氧化对材料强度影响的研究得出结论,随着预氧化条件的调整,材料的抗热震性与强度变化趋势不一致,抗热震性是由材料的力学和热学性质共同作用影响的。最后,综合考虑预氧化处理对材料强度和抗热震性的影响,在实际应用中,预氧化处理最佳条件为 1400℃,1h。
关键词:ZrB2-SiC-G 超高温陶瓷材料;预氧化;强度;抗热震
Abstract
As one of non-ablative ultra-high temperature materials, ZrB2-based ultra-high temperature ceramics (UHTCs) which have excellent performance such as good oxidation resistance and low density, have been widely used in nose-cone, wing leading edge and other key parts of hypersonic vehicle. However, as one kind of ceramic materials, its ings of brittleness and low toughness affect the strength and thermal shock resistance of the material. Taking the application environment of hypersonic vehicle into account, there's a urgent nee