ZrB_2基陶瓷材料氧化行为及预氧化对材料性能影响机理研究

发布时间：2017-06-19 06:05

  本文关键词：ZrB_2基陶瓷材料氧化行为及预氧化对材料性能影响机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高超声速飞行器独特的升力体结构及恶劣的服役环境,使得热防护材料在承受极大的热载荷的同时,还需要满足维形、承载及可重复使用等要求。Zr B2基超高温陶瓷材料因其优异的综合性能而被视为高超声速飞行器关键热部件的首选材料之一。然而长期以来对超高温陶瓷材料在模拟服役环境下的氧化行为及材料表面氧化对材料综合性能影响的研究还不够充分。本文针对Zr B2基超高温陶瓷材料服役环境特点,研究了材料在模拟真实服役环境下的氧化行为及氧化层微结构的演化规律,建立了Zr B2-Si C材料氧化动力学模型,探讨了材料氧化机理,并在此基础上评价了材料表面氧化与材料弯曲强度、抗热冲击性能、表面磨削性能、辐射特性及表面温度响应等综合性能的相互作用关系。Zr B2-Si C超高温陶瓷材料的氧化行为及抗氧化性能受气体压力和氧化温度共同作用。气体总压影响着表面玻璃相的挥发,而氧分压决定了氧化机制的转变及氧通量的大小。随着压力的降低,Zr B2-Si C材料发生惰性氧化向活性氧化的转变,氧化层厚度也表现出先增大后减小的趋势。同时,氧化温度影响着材料氧化反应活性及氧化产物的挥发,温度的升高将显著促进材料氧化。在原子氧环境下氧化后,Zr B2-Si C材料氧化层明显增厚。原子氧具有更高的氧化活性,促进了材料的氧化反应。但原子氧氧化后的产物、表面形貌及氧化层微结构同分子氧氧化相比并没有明显区别。Zr B2-Si C材料的氧化模式受温度及氧分压的共同作用,随着温度的升高,材料的惰性氧化/活性氧化转变的氧分压也不断增大。第二相Si C的氧化显著影响着Zr B2-Si C材料的氧化行为及抗氧化性能。Si C的氧化依赖于反应区内的氧分压,在氧化层与基体界面处,氧优先与Si C晶粒氧化,较低的氧分压促进Si C晶粒活性氧化并逐渐收缩,最终完全耗尽留下孔洞。Zr B2-Si C材料氧化层厚度随时间的增加呈近似抛物线趋势;而与氧化时间相比,氧化温度的影响更为显著。材料在1700°C氧化后,试样表面分布着大小不均的“凹坑”和“鼓包”,平整度显著下降,伴随着耗尽层的出现氧化层厚度有大幅增加,在1900°C有部分氧化层出现较大尺寸裂纹,到2000°C后氧化层稳定性显著恶化。建立了Zr B2-Si C超高温陶瓷材料氧化模型,评价了初值、时间步长、孔隙率对计算结果的影响。计算得到的氧化层厚度随时间及温度的变化趋势与实验结果相符合,氧化层厚度与实验值吻合较好。计算发现,氧化产物的饱和蒸汽压、表面玻璃相粘度、不同介质中氧的扩散/渗透系数、孔隙率、氧化过程中试样表面气流速度等参数对氧化层厚度有显著影响。对计算误差分析表明,在高温下大量气相物质以气泡的形式从表面玻璃相中冒出,这种模型中没有考虑到的现象加速了玻璃相的蒸发及氧化产物的传输,对氧化层厚度有显著影响。Zr B2-Si C材料氧化后生成的表面玻璃相及Zr O2均有助于提高材料弯曲强度,且玻璃相的作用更为显著。但在试样表面包覆树脂或B2O3玻璃相后,试样强度并没有显著变化。在1300°C氧化后的Zr B2-Si C试样强度要低于900°C氧化的强度,氧化温度的提高增加了氧化层缺陷含量不利于材料的强度。而在有限的时间内,氧化时间对材料强度的影响不大。此外由于热膨胀失配,玻璃相的存在可在表面形成残余压应力,有利于材料的力学性能。对于Zr B2-Si C-G材料,表面氧化后试样强度变化规律与Zr B2-Si C试样大致相同。唯一的区别是,由于石墨相的存在,试样900°C氧化并浸泡后的表面较为粗糙且含有大量缺陷,其弯曲强度低于原始强度。由于B2O3玻璃相的稳定性较差,Zr B2-Si C-G材料的预氧化处理温度应在1200°C以上。表面氧化能显著提高超高温陶瓷材料的抗热冲击性能。在空气中预氧化后的Zr B2-Si C试样其临界热震温差最大,而在1500°C/500Pa预氧化的试样,经水淬后试样残余强度保持率最高,试样的完整性较好。Zr B2-Si C-G材料在1300°C氧化后,随氧化时间由0.5 h增加至4 h,试样的临界热震温差不断增大。由于表面玻璃相的存在,在空气中预氧化的试样具有较高的发射率。而在1500°C/1000Pa预氧化的试样,其发射率在2.5~25μm整个波长范围内都保持了较低的水平。Zr B2-Si C原始试样的发射率随温度的变化是材料表面氧化的结果,在700°C试样表面发生氧化,试样发射率有显著增加,900°C时原始试样发射率与空气中预氧化的试样的发射率基本相当。整体上试样的发射率随温度的升高而不断增大。在相同的烧蚀条件下,Zr B2-Si C原始试样及在空气中预氧化的试样表现出相似的烧蚀行为,具有较低的表面温度;而经1500°C/100Pa预氧化的试样表面温度超过2300°C。Zr B2-Si C试样表面温度响应的这种变化是材料氧化、烧蚀、热传导、辐射等共同作用的结果。在原子氧环境下,Zr B2-Si C材料在1600°C氧化时发生了温度跳跃的现象,而在空气中预氧化处理后的试样在相同的实验环境下其表面温度保持平稳。造成Zr B2-Si C试样在原子氧环境下温度跳跃的主要原因是氧化反应,剧烈的氧化反应伴随着大量热量的释放导致试样温度的急剧波动。
【关键词】：ZrB2 氧化行为 原子氧氧化 表面氧化 辐射特性 温度响应
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 绪论15-39
• 1.1 课题背景及研究意义15-17
• 1.2 高超声速飞行器与飞行环境17-21
• 1.2.1 高超声速飞行器17-20
• 1.2.2 高超声速飞行环境20-21
• 1.3 超高温陶瓷材料研究现状21-27
• 1.3.1 ZrB_2基本性能21-23
• 1.3.2 超高温陶瓷材料的抗氧化性能23-27
• 1.4 超高温陶瓷材料表面氧化对材料性能的影响27-38
• 1.4.1 表面氧化对弯曲强度的影响28-30
• 1.4.2 表面氧化对抗热冲击性能的影响30-31
• 1.4.3 材料表面辐射特性的研究现状31-33
• 1.4.4 材料表面催化特性的研究现状33-35
• 1.4.5 材料表面温度响应的研究现状35-38
• 1.5 主要研究内容38-39
• 第2章 材料的制备与实验方法39-46
• 2.1 实验用原材料及材料制备方法39-40
• 2.1.1 实验用原材料39-40
• 2.1.2 材料制备工艺40
• 2.2 实验方法及实现设备40-43
• 2.2.1 氧化实验40-41
• 2.2.2 烧蚀实验41-42
• 2.2.3 热冲击实验42
• 2.2.4 辐射实验42-43
• 2.3 实验分析表征手段43-46
• 第3章 ZrB_2-SiC超高温陶瓷材料的氧化行为及其机理46-74
• 3.1 引言46
• 3.2 不同气体压力下ZrB_2-SiC超高温陶瓷材料的氧化行为46-62
• 3.2.1 1400°C不同气体压力下的氧化行为46-51
• 3.2.2 1500°C不同气体压力下的氧化行为51-55
• 3.2.3 1600°C不同气体压力下的氧化行为55-59
• 3.2.4 1700°C不同气体压力下的氧化行为59-62
• 3.3 原子氧环境下ZrB_2-SiC超高温陶瓷材料的氧化行为62-67
• 3.4 ZrB_2-SiC超高温陶瓷材料的氧化机制67-73
• 3.4.1 ZrB_2-Si C材料的氧化反应67-68
• 3.4.2 ZrB_2-Si C材料的惰性氧化与活性氧化68-70
• 3.4.3 SiC活性氧化机制70-73
• 3.5 本章小结73-74
• 第4章 ZrB_2-SiC超高温陶瓷材料氧化动力学研究74-112
• 4.1 引言74
• 4.2 ZrB_2-SiC超高温陶瓷材料氧化动力学特征研究74-98
• 4.2.1 1400°C下的氧化动力学特征74-78
• 4.2.2 1500°C下的氧化动力学特征78-83
• 4.2.3 1600°C下的氧化动力学特征83-86
• 4.2.4 1700°C下的氧化动力学特征86-91
• 4.2.5 1800°C下的氧化动力学特征91-93
• 4.2.6 1900°C下的氧化动力学特征93-95
• 4.2.7 2000°C下的氧化动力学特征95-96
• 4.2.8 ZrB_2-SiC超高温陶瓷材料氧化动力学分析96-98
• 4.3 ZrB_2-Si C超高温陶瓷材料氧化动力学模型98-110
• 4.3.1 氧化动力学模型98-101
• 4.3.2 相关参数101-106
• 4.3.3 计算过程106-107
• 4.3.4 计算结果107-110
• 4.4 本章小结110-112
• 第5章 超高温陶瓷材料表面氧化对力学性能的影响112-140
• 5.1 引言112
• 5.2 ZrB_2基超高温陶瓷材料的弯曲强度研究112-127
• 5.2.1 表面氧化对ZrB_2-SiC材料弯曲强度的影响112-123
• 5.2.2 表面氧化对ZrB_2-SiC-G材料弯曲强度的影响123-127
• 5.3 ZrB_2基超高温陶瓷材料的抗热冲击性能研究127-138
• 5.3.1 表面氧化对ZrB_2-SiC材料抗热冲击性能的影响128-136
• 5.3.2 氧化时间对ZrB_2-SiC-G材料抗热冲击性能的影响136-138
• 5.4 本章小结138-140
• 第6章 超高温陶瓷材料表面氧化对辐射特性及温度响应行为的影响140-158
• 6.1 引言140
• 6.2 超高温陶瓷材料的辐射特性研究140-145
• 6.2.1 材料辐射特性基本原理141-142
• 6.2.2 表面氧化对超高温陶瓷材料发射率的影响142-145
• 6.3 超高温陶瓷材料的表面温度响应研究145-156
• 6.3.1 烧蚀环境下超高温陶瓷材料的温度响应行为145-151
• 6.3.2 原子氧环境下超高温陶瓷材料的温度响应行为151-156
• 6.4 本章小结156-158
• 结论158-160
• 参考文献160-171
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果171-173
• 致谢173-174
• 个人简历174

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