● 摘要
ZrB2-SiC基复合陶瓷是目前新材料领域重点研究和开发的一种新型高温热结构材料，是超高温结构陶瓷中的典型材料，国内外对该系材料的制备以及高温氧化烧蚀的研究很多，尤其是制备方法方面已经研究得比较成熟，但是该材料的高温氧化微观机制，特别是ZrB2/SiC图同成分比对氧化机制的影响还有待更深一步的研究。本文采用热压烧结的方法制备了不同组成的ZrB2-SiC基复合陶瓷，采用了XRD、SEM、EPMA等手段分析了不同条件中高温范围氧化后材料表面及内部的成分、微观结构变化，对材料的中高温微观氧化机理进行了系统的研究。研究表明，ZrB2-SiC超高温陶瓷在中、高温度范围内氧化后，在材料的表面会生成氧化层，该氧化层对材料的抗氧化性能起着至关重要的作用，并且氧化层的成分不同时，其抗氧化机理发生变化。该氧化层的成分及微观结构受很多因素的控制，如氧化温度、氧化时间、材料组成等。研究发现，1000℃氧化时，低SiC含量的复合材料的增重率比高SiC材料的增重率小很多，通过SEM微观结构及EPMA元素分析我们发现，此时该材料的表面生成了一层由B2O3玻璃和ZrO2组成的氧化层，由于氧在该氧化层中扩散系数小，因此氧的扩散被阻止，从而起到了抗氧化的作用。该氧化层的形成主要与ZrB2的氧化有关，因此低SiC含量、高ZrB2含量的复合材料具有良好的抗氧化性能，此时材料的氧化为氧扩散控制过程。SiC-ZrB2超高温陶瓷在1200℃及1400℃氧化时，高SiC含量的复合材料表现出了更好的抗氧化性能，通过SEM微观结构及EPMA元素分析发现，此时材料表面氧化层的主要成分为硼硅酸盐玻璃和ZrO2。在1200℃以后，SiC发生活性氧化，大量的硼硅酸盐玻璃相开始在材料表面出现，材料中的SiC含量越大，表面越容易形成连续的硼硅酸盐玻璃，对材料的保护作用也就越好。B2O3在1200℃时开始挥发，并伴随着大量气孔、裂纹的形成，使得高ZrB2含量的复合陶瓷在温度高于1200℃抗氧化性能陡然下降。此外，研究表明，SiC含量为18 vol%的材料在1400°C氧化后，氧化机制由扩散控制转变为反应控制，而SiC含量为72 vol%的材料仍为扩散控制型。为了进一步证实氧化层对高温氧化的抑制作用，对各组成的试样进行了二次氧化研究。结果表明经过1200℃/20min预氧化处理后，各成分材料的抗氧化性能都得到了不同程度的改善，其中SiC含量越高改善的效果也越显著。关键词：ZrB2-SiC陶瓷基复合材料，氧化增重率，表面玻璃相，二次氧化