● 摘要
ZrB2-SiC复相陶瓷具有耐高温、理论密度低、硬度高和抗氧化性好等优点。这些优异的性能使之有望成为飞行器鼻锥、机翼前缘等尖锐的迎风表面的防热材料。但是它自身较低的断裂韧性限制了其在高马赫航天飞行器上的广泛应用，尤其是在有较高的热量传递和温度骤变的环境下的应用。将一定长径比的纤维/晶须引入到陶瓷材料中，是提高材料断裂韧性和抗热冲击性能的有效方法。利用纤维/晶须引起的裂纹桥联、裂纹偏转及纤维/晶须拔出等增韧机制，均可使材料的断裂韧性能及抗热冲击性能得到显著提高。将Si3N4晶须引入到ZrB2-SiC复相陶瓷中，利用晶须在材料内部增韧的优点，材料的断裂韧性及抗热冲击性能有望得到进一步提高。
采用等离子放电烧结法制备了Si3N4(w)/ZrB2-SiC复合材料。采用阿基米德排水法、单边切口梁三点弯曲法、三点弯曲法及维氏硬度计分别测试了复合材料的体积密度、断裂韧性、抗弯强度及维氏硬度，并通过对样品表面的XRD物相分析、SEM显微形貌分析、EDS微区成分分析探讨了Si3N4晶须的不同含量对复合材料力学性能的影响。在此基础上，通过压痕法在样品表面预制裂纹并分析裂纹扩展的特点，探讨了Si3N4晶须增韧的机理。选取了性能最优的复合材料，采用水淬法测试其抗热冲击性能，通过分析热冲击后样品的保留强度、表面物相组成、氧化表面的微观形貌特征，探讨了Si3N4晶须增韧ZrB2-SiC复合材料的抗冲击性能的优劣。
研究表明，Si3N4晶须显著提高了ZrB2-SiC陶瓷的断裂韧性，当晶须添加量为10 wt%时，复合材料获得最大的断裂韧性值6.30±0.5 MPa•m1/2， Si3N4晶须对ZrB2-SiC陶瓷的增韧机制主要包括晶须引起的裂纹桥联、裂纹分叉、残余热应力导致的裂纹偏转。虽然Si3N4晶须的加入使材料的抗弯强度和维氏硬度稍有下降，但其仍保持了较高的值。ZS-10S复合材料的抗热冲击性能优于ZS复相陶瓷，在1200℃~1400℃水淬后保留强度高，分别达到原始强度的124.8%和106.94%，，在其表面形成了致密的ZrSiO4-ZrO2氧化层是保留强度升高的原因。