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上海硅酸鹽所在超高溫陶瓷研究中取得新進展
發布時間:2021-01-11

超高溫陶瓷是一類具有3000℃以上的高熔點,并具有優良的高溫抗氧化性、耐燒蝕性和抗熱震性的過渡金屬的硼化物、碳化物和氮化物,有望用于航天火箭的發動機,太空往返飛行器和高超音速運載工具的防熱系統和推進系統,以及金屬高溫熔煉和連鑄用的電極、坩堝和相關部件,發熱元件等。超高溫陶瓷的性能取決于高純超細原料的質量、粉體形貌與反應活性、致密化程度、燒結方法與制度以及微結構控制等諸多因素,而高溫性能包括高溫強度、抗熱震性能、抗氧化耐燒蝕性能等是超高溫陶瓷能夠應用于高溫結構材料工程部件的關鍵。

中國科學院上海硅酸鹽研究所張國軍研究員帶領的課題組在國家自然科學基金委重點項目“超高溫陶瓷相圖、材料制備與微結構控制的研究”的資助下,充分發揮所內(黃政仁研究員課題組和顧輝研究員課題組)和所外(中南大學金展鵬院士和鄭峰教授團隊)強強聯合的優勢,從2005年開始,對以硼化鋯(ZrB2)和硼化鉿(HfB2)為基體的超高溫陶瓷的相平衡關系、粉體合成、成型工藝、燒結、微結構調控與超微結構分析、高溫強度、抗氧化耐燒蝕性能等進行了系統深入的研究,獲得了豐碩的研究成果。具體研究成果包括:

采用商業粉體為原料,通過多種制備手段獲得了高純超細的ZrB2和HfB2等粉體,研究結果表明獲得的粉體具有良好的燒結活性。同時,采用多種燒結工藝制備了超高溫陶瓷,研究了材料的致密化機理;利用透射電鏡等研究了氧污染在ZrB2粉體顆粒表面的分布狀態以及去除機理;采用注漿成型或凝膠注模成型結合無壓燒結工藝制備了具有復雜形狀的超高溫陶瓷部件。為了進一步提升超高溫陶瓷的綜合性能,采用各種微結構調控手段,提出并利用外場(強磁場和應力場)輔助法,包括強磁場定向和熱鍛等方法,獲得了高取向度的織構化硼化物基超高溫陶瓷,材料的硬度、熱導率和抗氧化等性能在特定方向顯著改善,最大程度地發揮了陶瓷材料在某一晶面方向的最佳性能,為進一步提高超高溫陶瓷的性能提供了新的途徑。同時,對材料的力學性能、高溫熱物理性能及顯微結構的高溫穩定性等進行了評價,利用透射電鏡研究了硼化鉿-碳化硅(HfB2-SiC)復相陶瓷氧化初期耗盡層的形成機制,并提出以耗盡層厚度評價材料抗氧化性能的新觀點;系統研究了不同碳化物助劑在燒結過程中的化學反應與固溶機制,在添加碳化鎢(WC)的情況下獲得了高溫彎曲強度能夠維持到1600°C(約650MPa)的硼化鋯-碳化硅(ZrB2-SiC)超高溫陶瓷。以上研究為超高溫陶瓷的實際應用奠定了堅實的科學基礎。

幾年來,以重點基金項目為依托,課題組在該領域的研究成果已在J. Am. Ceram. Soc等國際著名期刊發表SCI學術論文50余篇;申報國家發明專利13項,目前已獲得3項授權;培養了多名優秀的研究生;同時與日本、意大利、比利時、美國等國家相關領域的學者建立了良好的國際合作關系,并多次受邀在重要國際會議上作邀請報告介紹相關研究成果。國家自然科學基金委工程與材料科學部于2011年5月23日在上海組織召開了重點基金項目“超高溫陶瓷相圖、材料制備與微結構控制的研究”的結題驗收會,與會專家一致認為該項目的研究工作具有明顯的創新性,圓滿地完成了預定研究目標,綜合評議為 “A”。

 

亞微米級高純超細ZrB2粉體的可控合成     高純超細HfB2粉體的可控合成

通過注漿成型和無壓燒結制備的ZrB2-SiC陶瓷錐體

研制出一種具有自鎖結構的ZrB2-SiC超高溫陶瓷,顯著提高材料的斷裂韌性

采用熱鍛工藝實現硼化鋯板晶的定向排列,顯著改善材料特定方向的抗氧化性能和力學性能

利用透射電鏡分析揭示硼化鉿-碳化硅陶瓷氧化初期耗盡層形成機制

采用強磁場定向技術制備的織構化硼化鉿-碳化硅陶瓷的各向異性氧化行為

高性能陶瓷和超微結構國家重點實驗室

 
 
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