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Zr_2（Al（Si））_4C_5四元陶瓷的合成和抗氧化性研究

作　者: 赵雷
导　师: 陈贵清
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: Zr2（Al（Si））4C5 热压烧结微观结构力学性能抗氧化性
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 24次
引　用: 2次
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内容摘要

具有层状结构的碳化物陶瓷兼有金属和陶瓷的优良性能。在常温下有很好的导热性能和导电性能,有较低的硬度和较高的弹性模量和剪切模量;此外还具有高的屈服强度、高熔点、高热稳定性和良好的抗氧化性能等优异性能,因此是很好的高温结构材料。本文通过热压烧结技术制备了Zr2(Al(Si))4C5四元陶瓷,分析了Zr2Al4C5的合成路径,并利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、三点弯曲试验、单边切口梁法等分析测试方法对其组织和力学性能进行了分析,并对其抗氧化性进行了重点研究。以ZrC、Al和炭黑粉末为起始原料,利用差热分析、XRD和拉曼光谱等手段对不同温度下得到的产物进行了分析,通过分析Zr2Al4C5合成路径,并最终确定了制备Zr2(Al(Si))4C5的工艺路线。Zr2(Al(Si))4C5具有各向异性的微观结构,晶粒呈长棒状,晶粒不均匀且存在孔洞,室温下维氏硬度和弯曲强度较高,断裂模式为穿晶断裂。在25-900℃温度区间,由于材料内部释放的热应力,使得高温弯曲强度随温度升高而升高。在25-1200℃热容随温度升高而增大,热导率则随温度升高而降低;平均热膨胀系数(CTE)随温度升高而呈抛物线形式增大。热冲击实验表明,有较好的抗裂纹扩展能力。如何提高晶粒均匀性和致密度,才能有效提高材料性能,需要做进一步的研究。对Zr2(Al(Si))4C5四元陶瓷进行了高温恒温氧化实验,分析了不同温度下的恒温氧化动力学曲线,发现在1000℃满足抛物线规律,在1100℃则为线性规律,在1200℃为近似抛物线规律。对不同温度下的氧化层的结构进行分析,发现氧化层成分1000℃下主要的是Al2O3以无定形态存在。1000-1200℃是α-Al2O3和t-ZrO2组成的单层结构。Zr2(Al(Si))4C5的抗氧化性较差,这是由于没有形成致密的的保护膜。在三种温度下,试样氧化层厚度与时间成抛物线性关系。如何形成连续的氧化保护膜,以及增加Si的含量(如用SiC作为另一相)使其在更高的温度下形成铝硅酸盐以提高Zr2(Al(Si))4C5的抗氧化能力需要进一步研究。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-20
  1.1 课题的提出及研究意义  9-11
  1.2 Zr-Al-Si-C的研究进展  11-19
    1.2.1 Zr-Al-Si-C的结构  12-13
    1.2.2 Zr-Al-Si-C的制备方法  13-16
    1.2.3 Zr_2A_4C_5 和Zr_3A_4C_6 的性能  16-18
    1.2.4 Zr_2A_4C_5 和Zr_3A_4C_6 的应用前景  18-19
  1.3 本文主要研究内容  19-20
第2章 Zr_2A_4C_5 四元陶瓷的制备技术与试验方法  20-25
  2.1 试验原料  20
  2.2 热压烧结  20-21
  2.3 实验方法  21-24
    2.3.1 成分及组织结构分析  21
    2.3.2 物理性能测试及表征  21-22
    2.3.3 力学性能测试及表征  22-24
  2.4 恒温氧化试验方法  24-25
第3章 Zr_2A_4C_5 四元陶瓷的合成与制备  25-36
  3.1 引言  25-26
  3.2 原始粉末热分析  26-27
    3.2.1 热分析基本原理  26
    3.2.2 实验方法和过程  26-27
    3.2.3 实验结果  27
  3.3 XRD分析  27-30
  3.4 拉曼光谱分析  30-32
    3.4.1 拉曼光谱原理  30
    3.4.2 结果分析  30-32
  3.5 Zr_2A_4C_5 陶瓷的制备工艺参数  32-35
    3.5.1 反应温度  32
    3.5.2 反应时间  32-33
    3.5.3 升温速率  33
    3.5.4 气氛  33
    3.5.5 模具材料的选择  33-34
    3.5.6 Zr_2A_4C_5 陶瓷的制备工艺及工艺路线  34-35
  3.6 本章小结  35-36
第4章 Zr_2A_4C_5 四元陶瓷的微观结构与性能  36-47
  4.1 Zr_2A_4C_5 陶瓷材料的微观结构组织  36-37
  4.2 Zr_2A_4C_5 陶瓷材料的室温力学性能  37-40
    4.2.1 Zr_2A_4C_5 材料的力学性能  37-38
    4.2.2 Zr_2A_4C_5 材料的断口形貌及裂纹扩展  38-40
  4.3 Zr_2A_4C_5 陶瓷材料的高温力学性能  40-41
  4.4 Zr_2A_4C_5 陶瓷材料的热物理性能  41-43
  4.5 Zr_2A_4C_5 陶瓷材料的热震性能  43-46
  4.6 本章小结  46-47
第5章 Zr_2A_4C_5 四元陶瓷的抗氧化研究  47-55
  5.1 引言  47
  5.2 恒温氧化动力学分析  47-49
  5.3 氧化层的形貌与成分分析  49-54
    5.3.1 氧化层相组成分析  49-50
    5.3.2 氧化层的结构与成分分析  50-54
  5.4 本章小结  54-55
结论  55-56
参考文献  56-60
攻读学位期间发表的学术论文  60-62
致谢  62

Zr_2（Al（Si））_4C_5四元陶瓷的合成和抗氧化性研究

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