● 摘要
随着高超音速飞行器的发展，防热材料的服役环境越来越恶劣，研发能够满足航天飞行器高气动热、气动力服役条件下的超高温防热材料是极其重要的。ZrB2基复相陶瓷是一类新型超高温防热材料，是目前防热材料领域研究的热点。通过在ZrB2基体中添加第二相SiC微米级颗粒能够提高其抗氧化性，并且使它的力学性能也稍有改善，但其脆性仍然很大，断裂韧性低，威胁航天器的安全性。若将纳米级的SiC作为第二相添加到硼化锆基体中，形成纳米复相陶瓷，SiC不仅能够抗氧化性，而且能够大幅度提高韧性。可见，纳米SiC增强ZrB2基超高温陶瓷的力学性能及韧化机理研究具有重大意义。本文采用放电等离子烧结方法制备了ZrB2-SiC纳米复相陶瓷材料。采用X射线衍射确定材料物相，用扫描电镜观察材料显微结构，采用压痕法评价材料的力学性能。研究了纳米SiC粒径、含量和烧结温度对材料相对密度、物相和显微结构、维氏硬度和断裂韧性的影响，并在此基础上探讨了纳米SiC对ZrB2陶瓷的增韧机理。研究表明，纳米SiC的加入有利于材料的致密化，并且得到力学性能良好的材料。提高烧结温度有利于提高材料的相对密度；采用粒径较小的纳米SiC颗粒可以提高材料的相对密度、维氏硬度和断裂韧性；纳米SiC含量对材料力学性能影响较为复杂，其中，维氏硬度在不含SiC时最小，当SiC含量为5 wt%时硬度增加，当SiC含量为10 wt%时维氏硬度减小，而当SiC含量由10 wt%增加到20 wt%时材料硬度逐渐增大，且在SiC含量20wt%时达到最大值17.46GPa；断裂韧性在不含SiC时最小，当纳米SiC含量为5 wt%时，材料的断裂韧性大幅度提高，当SiC含量从5 wt%逐步提高到20 wt%，材料的断裂韧性呈下降趋势。烧结温度为1700℃、SiC粒径为20nm、含量为20 wt%的材料相对密度最高，达到97.70%；烧结温度为1700℃、SiC粒径为20nm、含量为5 wt%时，最大的断裂韧性达到8.21MPam1/2。通过分析发现，加入纳米SiC，材料的断裂韧性得到大幅度提高。其主要增韧机制包括热残余应力增韧，裂纹桥联增韧，裂纹偏转与分叉增韧和晶粒细化增韧。