摘要
在超高温陶瓷家族中，硼化锆（ZrB2）基陶瓷因其低密度、高熔点、高热导率以及良好的化学惰性，成为航天航空领域重要的候选材料之一，受到研究人员广泛的关注。ZrB2基陶瓷的性能受到ZrB2粉体品质的显著影响，而ZrB2粉体品质则与ZrO2原料和合成工艺密切相关。因此，本论文通过调控ZrO2粒径和硼热还原工艺，开展ZrB2粉体合成和ZrB2陶瓷制备研究。在此基础上，引入SiC晶须作为第二相，进一步提高ZrB2陶瓷致密度和断裂韧性，以期制备出高致密、高韧性ZrB2基陶瓷。具体研究内容及结果如下： 首先，采用两种粒径的ZrO2（55nm和113nm）为原料，通过三种硼热还原工艺（传统硼热还原工艺、硼热还原结合水洗工艺和硼热还原结合原位固溶工艺）合成六种ZrB2粉体，研究ZrO2粒径和硼热还原工艺对ZrB2粉体形貌、粒径和氧含量等影响。结果表明，在三种硼热还原工艺中，ZrO2粉体粒径均显著影响ZrB2粉体粒径，降低ZrO2粒径有助于ZrB2粉体细化；但是不依赖于ZrO2粉体粒径，传统硼热还原法合成的ZrB2粉体最粗，硼热还原结合水洗工艺合成的ZrB2粉体最细。传统硼热还原法和硼热还原结合原位固溶工艺合成的ZrB2粉体氧含量较低且相近，而硼热还原结合水洗工艺合成的ZrB2粉体氧含量较高。 然后，以上述合成的六种ZrB2粉体为原料，利用放电等离子烧结（SPS）在2000℃制备ZrB2陶瓷，研究ZrB2粉体粒径和氧含量对ZrB2陶瓷相对密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明，以传统硼热还原法合成粉体制备的两种ZrB2陶瓷致密度相近（95.5-96.4%），晶粒粗大（~9μm），维氏硬度和断裂韧性较差；基于55nm的ZrO2原料和水洗工艺合成的ZrB2粉体因具有较高的氧含量，制备的ZrB2陶瓷致密度最差（90.5%），但具有较高的断裂韧性（~3.71MPa?m1/2）；基于55nm的ZrO2原料和原位固溶工艺合成的ZrB2粉体具有较高的烧结活性，实现了ZrB2陶瓷致密化（99.6%），具有最高的维氏硬度（~16.0GPa），但是断裂韧性较低（~2.13MPa?m1/2）。 最后，为了提高ZrB2陶瓷致密度和断裂韧性，引入20vol%SiC晶须（SiCw），通过SPS在2000℃制备六种ZrB2-SiCw复相陶瓷。结果表明，与单相ZrB2陶瓷相比，ZrB2-SiCw陶瓷相对密度均有显著提升，并且同一种工艺合成的两种ZrB2粉体所制备的ZrB2-SiCw复相陶瓷的致密度、显微结构和力学性能差别不大，但是不同工艺合成的ZrB2粉体所制备的ZrB2-SiCw陶瓷则呈现较大的差异性。基于传统硼热还原合成的两种ZrB2粉体制备的ZrB2-SiCw陶瓷相对密度均大于99%，SiCw晶界钉扎显著细化了显微结构，维氏硬度（~18GPa）和断裂韧性接近（~4.9MPa?m1/2）；基于水洗工艺合成的ZrB2粉体氧含量较高，导致SiC晶须发生降解，制备的ZrB2-SiCw陶瓷力学性能较差；基于固溶工艺合成的两种ZrB2粉体因较细的粒径和较低的氧含量，烧结后SiC晶须尺寸较小、形貌较为完整，制备的两种ZrB2-SiCw陶瓷具有细化的显微结构和较高的断裂韧性（~5.28MPa?m1/2和~5.83MPa?m1/2）。
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