ZrB2-SiC超高温陶瓷的氧化行为研究
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2020-02-08
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中国科技论文在线
ZrB2-SiC 超高温陶瓷的氧化行为研究
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刘爱东
1
，陈海龙
2
，乔英杰
1
，刘莹莹
1
，梁军
2*
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（200802170012）
作者简介：刘爱东（1968-），男，副教授，主要研究方向：无机非金属材料. E-mail: liuaidong@hrbeu.edu.cn
（1. 哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，哈尔滨 150001；
2. 哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨，150001）
5
摘要：研究了 ZrB2 –SiC 超高温陶瓷材料的 700—1900℃的氧化行为。研究结果表明:
ZrB2-SiC 超高温陶瓷材料氧化层的形成与结构演化主要由温度决定。ZrB2 在 700℃时开始
发生较明显的氧化反应，其氧化速率在 700 至 1200℃之间明显高于 SiC。加热到 1200℃以
上时，SiC 发生明显的氧化。在 1700℃时，含有 20% 和 30% SiC 的 ZrB2 –SiC 材料都有
10
SiC 耗尽层的生成。当温度达到 1800℃时，氧化层的结构发生明显的变化，并呈定向生长的
趋势。ZrB2-20SiC 超高温陶瓷材料在 1900℃氧化后形成一层含有 ZrO2 和 SiO2 致密连续的
氧化层，而 ZrB2-30SiC 超高温陶瓷材料氧化后生成疏松多孔的结构。
关键词：超高温陶瓷材料；抗氧化； ZrB2
中图分类号：TB332
15
Oxidation Behavior of ZrB2-SiC Ultra-high Temperature
Ceramics
Liu Aidong
1
, Chen Hailong
2
, Qiao Yingjie
1
, Liu Yingying
1
, Liang Jun
2
(1. College of Material Science and Chemical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin
20
150001;
2. College of Aerospace, Harbin Institute of Technology,Harbin,150080)
Abstract: Oxidation of ZrB2–SiC ceramic composites in the temperature range 700-1500℃ was
investigated. The results show that the formation and structural evolution of the oxide layer of
ZrB2-SiC ultra high temperature ceramics is determined mainly by the temperature. The obvious
25
oxidation reaction of ZrB2 occurs at 700 ℃, and the oxidation rate of ZrB2 between 700 to
1200 ℃ was significantly higher than that of SiC. Heated to above 1200 ℃ , SiC starts
obviously oxidation. At 1700 ℃, the formation of SiC depletion layer appears both on the ZrB2
–SiC ceramic composites with 20% and 30% SiC. When the temperature reached 1800 ℃, the
structure of the oxide layer changed significantly, also present vectored growth trend. A dense
30
continuous oxide layer containing ZrO2 and SiO2 formed after the oxidation of ZrB2-20SiC
ceramics at 1900 ℃, compared with a porous structure for ZrB2-30SiC ultra-high temperature
ceramics .
Key words: ultra-high temperature ceramics;oxidation resistance; ZrB2
35
0 引言
随着航空、航天技术的快速发展，能够适于长时间及高超声速飞行的航天飞行器成为了
未来飞行器的重点。高超声速、长时间的服役特征对高温热结构的防热材料和结构提出了严
峻的挑战，需要考虑其使用基本环境与要求，包括高温、高载荷、高焓、高性能重量比、高
可靠性与长寿命等诸多因素
[1-3]
。超高温陶瓷材料可承受 2000℃以上的高温、具有较高的高
40
温比强度与比寿命、良好的高温抗氧化能力、导热性及可加工性。使用超高温陶瓷材料替代
或部分替代现役的功能性防热材料和结构，降低了结构重量，提高了飞行器的使用性能
[4-6]
。
硼化物和碳化物（包括 ZrB
2
、HfB
2
、ZrC、HfC 和 TaC 等）的熔点都高于 3000℃，且具有
优越的抗氧化烧蚀性能，在高温环境下能保持良好的化学稳定性，而成为目前能够胜任极端
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