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上海硅酸盐所在超高温陶瓷研究中取得新进展

作者:亚洲游戏    更新时间:2020-08-30 18:55

  超高温陶瓷是一类具有3000℃以上的高熔点,并具有优良的高温抗氧化性、耐烧蚀性和抗热震性的过渡金属的硼化物、碳化物和氮化物,有望用于航天火箭的发动机,太空往返飞行器和高超音速运载工具的防热系统和推进系统,以及金属高温熔炼和连铸用的电极、坩埚和相关部件,发热元件等。超高温陶瓷的性能取决于高纯超细原料的质量、粉体形貌与反应活性、致密化程度、烧结方法与制度以及微结构控制等诸多因素,而高温性能包括高温强度、抗热震性能、抗氧化耐烧蚀性能等,是超高温陶瓷能够应用于高温结构材料工程部件的关键。

  中国科学院上海硅酸盐研究所张国军研究员带领的课题组在国家自然科学基金委重点项目“超高温陶瓷相图、材料制备与微结构控制的研究”的资助下,充分发挥所内(黄政仁研究员课题组和顾辉研究员课题组)和所外(中南大学金展鹏院士和郑峰教授团队)强强联合的优势,从2005年开始,对以硼化锆(ZrB2)和硼化铪(HfB2)为基体的超高温陶瓷的相平衡关系、粉体合成、成型工艺、烧结、微结构调控与超微结构分析、高温强度、抗氧化耐烧蚀性能等进行了系统深入的研究,获得了丰硕的研究成果。具体成果包括:

  采用商业粉体为原料,通过多种制备手段获得了高纯超细的ZrB2和HfB2等粉体,研究结果表明获得的粉体具有良好的烧结活性。同时,采用多种烧结工艺制备了超高温陶瓷,研究了材料的致密化机理;利用透射电镜等研究了氧污染在ZrB2粉体颗粒表面的分布状态以及去除机理;采用注浆成型或凝胶注模成型结合无压烧结工艺制备了具有复杂形状的超高温陶瓷部件。为了进一步提升超高温陶瓷的综合性能,采用各种微结构调控手段,提出并利用外场(强磁场和应力场)辅助法,包括强磁场定向和热锻等方法,获得了高取向度的织构化硼化物基超高温陶瓷,材料的硬度、热导率和抗氧化等性能在特定方向显著改善,最大程度地发挥了陶瓷材料在某一晶面方向的最佳性能,为进一步提高超高温陶瓷的性能提供了新的途径。同时,对材料的力学性能、高温热物理性能及显微结构的高温稳定性等进行了评价,利用透射电镜研究了硼化铪-碳化硅(HfB2-SiC)复相陶瓷氧化初期耗尽层的形成机制,并提出以耗尽层厚度评价材料抗氧化性能的新观点;系统研究了不同碳化物助剂在烧结过程中的化学反应与固溶机制,在添加碳化钨(WC)的情况下,获得了高温弯曲强度能够维持到1600°C(约650MPa)的硼化锆-碳化硅(ZrB2-SiC)超高温陶瓷。以上研究为超高温陶瓷的实际应用奠定了坚实的科学基础。

  几年来,以重点基金项目为依托,课题组在该领域的研究成果已在J. Am. Ceram. Soc等国际著名期刊发表SCI学术论文50余篇;申报国家发明专利13项,目前已获得3项授权;培养了多名优秀的研究生;同时与日本、意大利、比利时、美国等国家相关领域的学者建立了良好的国际合作关系,并多次受邀在重要国际会议上作邀请报告,介绍相关研究成果。国家自然科学基金委工程与材料科学部于2011年5月23日在上海组织召开了重点基金项目“超高温陶瓷相图、材料制备与微结构控制的研究”的结题验收会,与会专家一致认为该项目的研究工作具有明显的创新性,圆满地完成了预定研究目标,综合评议为 “A”。

  研制出一种具有自锁结构的ZrB2-SiC超高温陶瓷,显著提高材料的断裂韧性

  采用热锻工艺实现硼化锆板晶的定向排列,显著改善材料特定方向的抗氧化性能和力学性能

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