Vật liệu siêu mạnh cho nhiệt độ vượt quá 2000 °C
Tóm tắt
Các vật liệu gốm dựa trên boride và carbide của kim loại chuyển tiếp nhóm IV-V có điểm nóng chảy trên 3000 °C, có khả năng kháng xói mòn, và do đó, là ứng viên cho việc thiết kế các thành phần của các phương tiện vũ trụ thế hệ tiếp theo, bộ phận vòi phun tên lửa, và mũi hoặc cạnh dẫn cho các phương tiện hàng không siêu thanh. Vì vậy, chúng sẽ phải chịu tải trọng nhiệt cơ học cao, điều này khiến sức mạnh ở nhiệt độ cao trở nên rất quan trọng. Mặc dù việc thử nghiệm những vật liệu này ở trên 2000 °C là cần thiết để chứng minh khả năng của chúng ở nhiệt độ hoạt động dự kiến, nhưng các báo cáo trong tài liệu rất hạn chế. Giá trị sức mạnh đã báo cáo cho gốm zirconium diboride (ZrB2) có thể vượt quá 1 GPa ở nhiệt độ phòng, nhưng các giá trị này giảm nhanh chóng, với tất cả các sức mạnh đã báo cáo trước đó đều dưới 340 MPa ở 1500 °C hoặc cao hơn. Ở đây, chúng tôi chỉ ra cách mà sức mạnh của gốm ZrB2 có thể được tăng lên hơn 800 MPa ở nhiệt độ trong khoảng từ 1500–2100 °C. Những sức mạnh đặc biệt này là do một cấu trúc vi mô lõi-vỏ, dẫn đến việc tăng cường độ bền
Từ khóa
#gốm siêu mạnh #zirconium diboride #nhiệt độ cao #cấu trúc lõi-vỏ #tăng cường độ bền in-situTài liệu tham khảo
Van Wie, D. M., Drewry, D. G. Jr., King, D. E. & Hudson, C. M. The hypersonic environment: Required operating conditions and design challenges. J. Mater. Sci. 39, 5915–24 (2004).
Simonenko, E. P., Sevast’yanov, D. V., Simonenko, N. P., Sevast’yanov, V. G. & Kuznetsov, N. T. Promising ultra-high-temperature ceramic materials for aerospace applications. Russ. J. of Inorg. Chem. 58, 1669–1693 (2013).
Wuchina, E. J., Opila, E., Opeka, M., Fahrenholtz, W. G. & Talmy, I. UHTCs: Ultra-high temperature ceramic materials for extreme environment applications. The Electrochem. Soc. Interf. 16, 30–36 (2007).
Fahrenholtz, W. G., Wuchina, E. J., Lee, W. E. & Zhou, Y. (Eds.). Ultra-High Temperature Ceramics: Materials for Extreme Environment Applications. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 112–143 (2014).
Guo, S. Q. Densification of ZrB2-Based composites and their mechanical and physical properties: a review. J. Europ. Ceram. Soc. 29, 995–1011 (2009).
Guoa, S. Q., Nishimura, T., Mizuguchi, T. & Kagawa, Y. Mechanical properties of hot-pressed ZrB2–MoSi2–SiC composites. J. Europ. Ceram. Soc. 28, 1891–1898 (2008).
Hu, P. & Wang, Z. Flexure strength and fracture behavior of ZrB2–SiC ultra-high temperature ceramic composites at 1800 °C. J. Europ. Ceram. Soc. 30, 1021–1026 (2010).
Neuman, E. W., Hilmas, G. E. & Fahrenholtz, W. G. Strength of Zirconium Diboride to 2300 °C. J. Am. Ceram. Soc. 96 47–50 (2013).
Neuman, E. W., Hilmas, G. E. & Fahrenholtz, W. G. Elevated temperature strength enhancement of ZrB2–30 vol% SiC ceramics by postsintering thermal annealing, J. Am. Ceram. Soc. 99, 962–970 (2016).
Neuman, E. W., Hilmas, G. E. & Fahrenholtz, W. G. Mechanical behavior of zirconium diboride–silicon carbide ceramics at elevated temperature in air. J. Europ. Ceram. Soc. 33, (2013) 2889–2899.
Neuman, E. W., Hilmas, G. E. & Fahrenholtz, W. G. Ultra-high temperature mechanical properties of a zirconium diboride–zirconium carbide ceramic, J. Am. Ceram. Soc. 99, 597–603 (2016).
Zou, J., Zhang, G. J., Hu, C.-F., Nishimura, T., Sakka, Y., Vleugels, J. & Van der Biest O. Strong ZrB2-SiC ceramics at 1600 °C. J. Am. Ceram. Soc. 95, 874–878 (2010).
Carney, C. M., Parthasarathy, T. A. & Cinibulk, M. K. Oxidation resistance of hafnium diboride ceramics with additions of silicon carbide and tungsten boride or tungsten carbide. J. Amer. Ceram. Soc. 94, 2600–2607 (2011).
Zhang, S. C., Hilmas, G. E. & Fahrenholtz, W. G. Improved oxidation resistance of zirconium diboride by tungsten carbide additions. J. Am. Ceram. Soc. 91, 3530–3535 (2008).
Ma, H. B., Man, Z. Y., Liu, J. X., Xu, F. F. & Zhang G.J. Microstructure, solid solution formation and high-temperature mechanical properties of ZrB2 ceramics doped with 5 vol% WC. Mater. & Design 81, 133–140 (2015).
Sha, J. J., Wei, Z. Q., Li, J., Zhang, Z. F., Yang, X. L., Zhang Y. C. & Dai J. X. Mechanical properties and toughening mechanism of WC-doped ZrB2-ZrSi2 ceramic composites by hot pressing. Mater. & Design 62, 199–204 (2014).
Monteverde F. & Silvestroni L. Combined effects of WC and SiC on densification and thermo-mechanical stability of ZrB2 ceramics. Mater. and Design 109, 396–407 (2016).
Silvestroni, L., Sciti, D., Monteverde, F., Stricker, K. & Kleebe, H.-J. Microstructure evolution of a W-doped ZrB2 ceramic upon high-temperature oxidation. In press at J. Am. Ceram. Soc. (2017).
Chan, L. L. Y., Scroger, M. G. & Phillips, B. Condensed Phase Relations in the Systems ZrO2-WO2-WO3 and HfO2-WO2-WO3 . J. Amer. Ceram. Soc. 50, 211–215 (1967).
Neuman, E. W., Hilmas, G. E. & Fahrenholtz, W. G. Mechanical behavior of zirconium diboride–silicon carbide–boron carbide ceramics up to 2200 °C. J. Europ. Ceram. Soc. 35, 463–376 (2015).
Cutler, R. A. Engineering Properties of Borides. In: Schneider, S. J. Jr. (ed.), Engineered Materials Handbook. ASM International, Materials Park, OH, pp. 787–803 (1991).
Stevens, R. Engineering Properties of Zirconia. In: Schneider, S. J. Jr. (ed.), Engineered Materials Handbook. ASM International, Materials Park, OH, pp. 775–786 (1991).
Evans, A. G. High Temperature failure mechanisms in Ceramic Polycrystals. In: Tressler, R. E. & Bradt, R. C. (eds.), Deformation of ceramic materials II. Plenum Press, New York, pp. 487–506 (1984).
Ddalgleish, B. J., Johnson, S. M. & Evans, A. G. High-temperature failure of polycrystalline alumina: I, crack nucleation. J. Amer. Ceram. Soc. 67, 741–750 (1984).
Lange, F. F. Compressive surface stresses developed in ceramics by an oxidation-induced phase-change. J. Am. Ceram. Soc. 63, 38–40 (1980).
Evans, A. G. & Rana, A. High temperature failure mechanisms in ceramics. Acta Metall. 28, 128–141 (1979).
Watts, J., Hilmas, G. E., Fahrenholtz, W. G., Brown, D. & Clausen, B. Measurement of thermal residual stresses in ZrB2 –SiC composites. J. Europ. Ceram. Soc. 31, 1811–1820 (2011).
Tiez, T. E. & Wilson, J. W. Behavior and Properties of Refractory Metals. Univ. of Tokyo Press, Tokyo, Japan (1965).
Gludovatz, B., Faleschini, M., Wurster, S., Hofmann, A. & Pippan R. Influence of Microstructure on the Fracture Toughness of Tungsten Alloys. In: Hsia, K. J., Gökken, M., Pollock, T., Portella, P. D. & Moody, N. R. (eds.) Proceedings of Refractory Metals 2008: Properties of Refractory Metals. TMS, The Minerals, Metals and Materials Society (2008).
Ashby, M. F., Blunt, F. J. & Bannister, M. Flow characteristics of highly constrained metal wires. Acta Metallurgica, 37, 1847–1857 (1989).
Nawa, M., Yamazaki, K., Sekino, T. & Niihara K. Microstructure and mechanical behaviour of 3Y-TZP/Mo nanocomposites possessing a novel interpenetrated intragranular microstructure. J. Mater. Sci. 31, 2849–2858 (1996).
Sekino, T., Yu, J. H., Choa, Y. H., Lee, J. S. & Niihara, K. Reduction and sintering of alumina/tungsten nanocomposites. J. Ceram. Soc. of Jap. 108, 541–547 (2000).
Kleebe, H.-J., Lauterbach, S., Shabalala, T. C., Herrmann, M. & Sigalas, I. B6O: A correlation between mechanical properties and microstructure evolution upon Al2O3 addition during hot pressing. J. Am. Ceram. Soc. 91, 569–575 (2008).
Song, S. G., Vaidya, R. U., Zurek, A. K. & Gray G. T. Stacking faults in SiC particles and their effect on the fracture behavior of a 15 Vol Pct SiC/6061-AI matrix composite. Metall. and Mater. Trans. 27A, 459–465 (1996).
Gifkins, R. C. Grain-boundary sliding and its accommodation during creep and superplasticity. Met. Transact. A, 7A, 1225–1232 (1976).
Hirth, J. P. & Lothe, J. Theory of Dislocations, Wiley, New York, USA (1982).
Cutard, T., VIatte, T., Feusier, G. & Benoit, W. Microstructure and high temperature mechanical properties of TiC0.7N0.3-Mo2C-Ni cermets. Mater. Sci. Eng. A, 209, 218–227 (1996).
Abriata, J. P., Garcés, J. & Versaci R. The O−Zr (Oxygen-Zirconium) system. Bull. of Alloy Phase Diagr. 7, 116–124 (1986).
Kosolapova, T. Y. (ed.), Handbook Of High Temperature Compounds: Properties, Production, Applications. Hemisphere Publishing Corporation, New York, p. 776 (1990).
Mitchell, D. R. G. DiffTools: software tools for electron diffraction in digital micrograph. Microscopy Res. and Technique, 71, 588–593 (2008).