超高温陶瓷ZrB2及其烧结工艺

超高温陶瓷ZrB2及其烧结工艺

二硼化锆（ZrB

2

）因其极强的化学键特性而具有高熔点、高模量、高硬度、高热导率和电导率（且电导率温度系数为正）以及低的热膨胀系数与良好的抗热震

等综合特性，成为一种最具潜力的超高温陶瓷材料。ZrB

2

陶瓷制品已广泛用作各

种高温结构及功能材料，如：航空工业中的涡轮叶片、磁流体发电电极等。另外，

与许多陶瓷材料相比，它具有较好的导电性能，可通过线切割技术生产形状复杂

的部件。尤其重要的是，ZrB

2

系复合材料由于具有高熔点、高硬度、良好的导电

性以及良好的中子控制能力等特点，非常适合应用于超音速航天飞行器、导弹外

壳的超高温零烧蚀材料。随着我国火箭、导弹技术的高速发展，对硼化锆基陶瓷

类的高温结构材料需求将会越来越迫切，ZrB

2

系复合材料的研究、生产和应用将

会日益显示出其重要性。

但是，ZrB

2

材料熔点较高，且由于其极强的共价键，体扩散速率较低，造成其烧结致密化困难。目前常用的烧结方法有以下几种。

1、常压烧结。

据报道，利用W作为烧结助剂可以促进ZrB

2

的烧结致密化。这是因为W取代

了ZrB

2

晶格中的Zr形成固溶相促进烧结。类似地，利用1% Re、0.5% Cr和10.5%

Ti为烧结助剂也可制备出几乎完全致密的ZrB

2

陶瓷。晶格常数的测定表明，金

属原子取代了ZrB

2

晶格上Zr的位置。

2、热压烧结。

研究表明，在热压烧结中，添加碳化硅（SiC）颗粒有助于促进ZrB

2

陶瓷的

致密化。这是由于SiC表面的SiO

2与ZrB

2

中的ZrO

2

反应生成液相ZrO

2

-SiO

2

，从

而增进了ZrB

2

的致密化。但是在SiC的添加量过高时，材料的相对致密度又有所

下降，这是由于大尺寸的SiC颗粒其自身的难烧结性不利于复合材料的烧结致密化。据报道，在烧结温度1950℃、保温时间l h、压力20 MPa、流动氢气气氛条

件下下，纯ZrB

2

烧结后的相对致密度只有94%，而添加了SiC颗粒的样品的相对致密度大大提高。当SiC颗粒添加量为15%时，相对致密度达到了最大值99%。

3、反应热压烧结。

反应热压烧结包括原位合成和致密化两个步骤。据报道，用Zr、Si和B

4

C

粉作为起始原料，可以在较低的温度下（1900℃）制备高致密度的ZrB

2

基陶瓷材

料。其反应机理为：B

4

C中的B和C原子分别扩散到Zr和Si的位置，从而原位

反应生成ZrB

2

-SiC，通过降低起始原料中Zr和Si的颗粒尺寸可以得到SiC均匀

分布的复相陶瓷。同样的反应机理，可以制备出ZrB

2-SiC、ZrB

2

-SiC-ZrC、

ZrB

2-SiC-ZrN和ZrB

2

-SiC-AlN等一系列ZrB

2

基陶瓷材料。另据报道，以ZrH

2

、

B 4C和Si为原料，在1600~1900℃可制备出ZrB

2

-27%SiC复相陶瓷，致密度达99%

以上。

4、放电等离子体烧结。

据报道，用热压法制备ZrB

2

+30%ZrC+10%SiC复合材料，致密度仅为90%；而

用放电等离子体烧结，可以明显提高材料的致密度。另据报道，用放电等离子体

烧结可制备SiC晶须增强的ZrB

2

。在1550℃下所制备的材料致密度高达97%，抗弯强度和断裂韧性达到545MPa和6.81 MPa·m1/2。