WC添加对ZrB2/SiC基超高温陶瓷复合材料力学性能与抗氧化性的影响机制研究

这篇研究探讨了碳纤维增强ZrB2/SiC/WC复合材料（UHTCMCs）的烧结行为、力学性能及1650°C氧化阻力。通过热压烧结（1800-2000°C），发现WC完全反应生成Zr1?xWxC固溶体和WB相，1900°C烧结样品实现92%密度且纤维完整性最佳。相比无WC的ZrB2/SiC材料，WC虽未显著提升力学性能，但促进形成更致密氧化层，显著增强高温抗氧化性。

　　

Abstract

研究聚焦碳纤维增强ZrB₂/SiC/WC复合材料的烧结特性与性能优化。热压烧结（40 MPa）在1800-2000°C区间进行，WC完全转化为Zr_1?xW_xC固溶体和WB相。1800°C样品孔隙率高，2000°C虽完全致密但纤维损伤严重，1900°C成为平衡点——密度达92%且纤维结构完整。力学测试显示，WC添加未显著改变强度（ZWC19:160 MPa vs Z19:198 MPa），但氧化实验中形成49 μm致密氧化层（含WO₃和柱状ZrO₂），较无WC样品（82 μm）保护性更优。

1 INTRODUCTION

超音速飞行器热防护系统（TPS）需耐受2000°C以上极端环境。传统C/C和C/SiC材料因氧化限制难以满足需求，而ZrB₂基超高温陶瓷（UHTCs）虽熔点超3200°C，但脆性高。本研究通过引入碳纤维和WC，开发兼具耐高温与韧性的UHTCMCs。WC的加入可促进烧结过程中玻璃相形成，提升自修复能力，其氧化产物WO₃还能稳定B₂O₃保护层。

2 EXPERIMENTAL PROCEDURES

采用ZrB₂（0.5-6 μm）、α-SiC（0.45 μm）和WC（<1 μm）粉末，与XN80-6K碳纤维（Φ=10 μm）复合。两组配方——Z（95 vol% ZrB₂+5 vol% SiC）和ZWC（90 vol% ZrB₂+5 vol% SiC+5 vol% WC）经湿法球磨后热压成型。通过FE-SEM/EDS分析微观结构，四点弯曲法测试室温强度，缺口梁法测断裂韧性。1650°C氧化实验通过底部加热炉进行，氧化层用环氧树脂包埋后表征。

3 RESULTS AND DISCUSSION

3.1 烧结体微观结构

XRD检测到ZrB₂（PDF#75-1050）、WB（PDF#35-0738）及微量WC_1?x（PDF#20-1316）。1900°C烧结的ZWC19样品中，W扩散形成核壳结构——富W的ZrB₂外壳包裹ZrB₂核心。相比无WC的Z19，ZWC19孔隙率降低40%（8.1% vs 13.5%），且ZrB₂晶粒长径比增大。

3.2 力学性能

ZWC19弯曲强度达160±25 MPa，略低于Z19（198±12 MPa），但优于1800°C（91±12 MPa）和2000°C（96±11 MPa）样品。断裂韧性（K_Ic）稳定在4.0±0.4 MPa·m^0.5，与文献报道的3D-C/SiC+ZrB₂材料（163-255 MPa）相当。载荷-位移曲线显示1900°C样品具有典型纤维拔出特征，而2000°C样品呈脆性断裂。

3.3 抗氧化机制

1650°C氧化后，ZWC19表面形成三层结构：外层SiO₂玻璃（含纳米W颗粒）、中间ZrO₂-SiO₂-WO₃层（针状WO₃与ZrO₂共晶）、内层SiC/WB耗尽区。WO₃通过1231°C共晶反应促进ZrO₂致密化，其与B₂O₃的协同效应使氧化层厚度减少40%（49 μm vs 82 μm）。反应方程显示WB先氧化为W+B₂O₃，继而W转化为WO₃，后者抑制了B₂O₃挥发。

4 CONCLUSIONS

WC添加通过形成(Zr,W)C和WB相优化烧结致密化，1900°C为最佳工艺窗口。虽然对力学性能提升有限，但WO₃诱导的氧化层致密化使材料在1650°C下抗氧化性能显著增强。该研究为超高温环境用复合材料设计提供了新思路，后续可探究WC对 ablation behavior（烧蚀行为）的影响。