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.pdf

硕士学位论文

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

THE EFFECT OF PRE-OXIDATION ON THE
MECHANICAL PROPERTIES AND THERMAL
SHOCK RESISTANCE OF ZrB2-SiC-G ULTRA
HIGH TEMPERATURE CERAMICS


杜雪菲








哈尔滨工业大学
2012 年 7 月
国内图书分类号:TB332 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开





工学硕士学位论文


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



硕士研究生: 杜雪菲
导师: 张幸红教授
申请学位: 工学硕士
学科: 材料学
所在单位: 复合材料与结构研究所
答辩日期: 2012 年 7 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TB332
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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
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
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