论文题目：PDC法制备ZrB₂-SiC的摩擦和高温氧化行为研究

答辩人：贺加贝

学科专业：材料学

答辩时间：2018年11月12日下午 6:00

答辩地点：友谊校区公字楼328会议室

指导教师：王一光

一、学位论文简介

陶瓷材料具有耐高温、耐酸碱、高强度等优点，已经广泛应用于工业的各个领域。然而，由于陶瓷的传统制备方法成本过高（烧结温度高、烧结时间长、二次加工难、制备能耗大），极大的阻碍了陶瓷的应用范围。聚合物转化陶瓷法（PDCs，Polymer Derived Ceramics）作为一种革命性创新工艺，可以有效改善传统陶瓷制备工艺在温度、时间和能上耗的缺点。

在众多陶瓷中，超高温陶瓷（UHTCs，Ultra-high Temperature Ceramics）由于其具有高熔点（＞3000 ^oC）、良好的耐烧蚀性和极好的高温机械强度等特性，在航空工业领域应用广泛。但随着工业发展，越来越复杂的应用环境往往要求材料具有复合性能。例如航空工业中的球轴承、发动机阀门等部件的材料，需要兼顾抗氧化和抗摩擦的能力以适应恶劣的服役环境。而在超高温陶瓷中，作为传统超高温结构材料，ZrB₂-SiC陶瓷的高温抗氧化性已经在应用中得到了很好的体现，但针对摩擦学方向的研究和应用则十分稀少。大部分陶瓷在摩擦磨损中的应用，都是基于其优异的硬度使其具有高耐磨性，较低的低膨胀系数所以其具有很好的尺寸稳定性，良好的耐化学性和高温下保持物理性能的能力即瞬时高温结构稳定性。但是陶瓷的脆性始终是阻碍陶瓷在摩擦领域应用的最大障碍，则聚合物转化陶瓷技术的结构可设计性和可调控性可以从结构上解决这一问题。

综上考虑，本文主要做了以下工作：

成功设计并制备了ZrB₂-SiC复相聚合物先驱体，裂解后得到纳米复合粉体。实现了从聚合物结构开始设计制备复相陶瓷，即每一个陶瓷颗粒都由两种物相组成。复相陶瓷从聚合物开始裂解结晶，一方面可以有效改善陶瓷各相的分散性，降低因异常长大应力集中导致的机械性能降低；另一方面，通过将粉体颗粒尺寸控制在纳米级别，可以在烧结后降低界面缺陷尺寸，显著提高材料自身的断裂韧性。裂解后的粉体颗粒中，ZrB₂颗粒呈球状包裹在SiC中，颗粒长大机制为Ostwald熟化作用，说明外层SiC的包裹对颗粒长大起到了明显的抑制作用。而烧结后陶瓷块体组织形貌结果证明，当第二相颗粒尺寸较小时，基体中裂纹扩展方式主要为沿晶断裂，呈现出较高的断裂韧性数值。

设计并研究了，不同相比例的陶瓷在分别以压力和距离为变量的摩擦磨损实验中的磨损机制变化。常见的陶瓷磨损量公式中，硬度和断裂韧性都是影响陶瓷磨损量计算的两个主要变量。而当硬度和断裂韧性一定，压力和距离则是大部分摩擦磨损研究和计算中主要考量的变量。实验结果证明，第二相ZrB₂颗粒大小的不同会引起陶瓷摩擦磨损机制的改变。考虑压力为变量时，当第二相晶粒较小，基体的摩擦损伤以微裂纹为主，基体损伤状态为轻微磨损；当第二相晶粒过大时穿晶断裂更易发生，基体损伤状态为重度磨损。而随摩擦距离变化，磨损接触面上产生损伤的主要模式主要由磨屑堆积程度决定。磨屑堆积越多，磨屑对摩擦接触面损伤越大，当磨屑堆积到一定程度，磨屑磨损即成为摩擦损伤的主要损伤机制。

另外，我们用聚合物转化陶瓷法和SPS烧结法制备了掺杂铝或钇的ZrB₂-SiC陶瓷，以研究铝或钇元素掺杂对陶瓷高温氧化行为的影响。结果表明，在SiC中掺杂Al/Y可以降低SiO₂在1700 ℃的活性，大大提高了ZrB₂-SiC陶瓷的抗氧化性能。与Al元素相比，Y元素在氧化初期向表面的快速扩散行为会导致氧化在初期有一段快速氧化过程，此时Y元素掺杂后陶瓷的氧化增重较快。但是一旦表面的钇浓度超过一定值，氧化速率就会立刻降低，所以掺杂Y元素的陶瓷在长时间氧化实验中抗氧化效果明显优于Al元素掺杂的陶瓷。

二、攻读博士学位期间以第一作者发表于学位论文相关的学术论文：

[1]  J. He, Y. Wang, L. Luo, L. An. Oxidation behaviour of ZrB₂-SiC (Al/Y) ceramics at 1700 ^oC. J. Eur. Ceram. Soc., 36 (15) (2016): 3769-3774.(一区，IF (2017):3.794, SCI: 000381951200026)

[2]  J. He, Y. Gao, Y. Wang, J. Fang, L. An. Synthesis of ZrB₂-SiC nanocomposite powder via polymeric precursor route. Ceram. Inter., 43 (1) (2017): 1602-1607.(一区，IF (2017): 3.057, SCI: 000390737100100)

[3]  J. He, Y. Cao, Y. Wang. Mechanical properties of ZrB₂-SiC ceramics prepared by polymeric precursor route. Ceram. Inter., 44(6) (2018): 6520-6526.(一区，IF (2017): 3.057, SCI: 000427215100094)

[4]  J. He, Y. Cao, Y. Wang, Study of tribological properties of polymer derived ZrB₂-SiC ceramics. Ceram. Inter., 44(13) (2018): 15627-15630.(一区，IF (2017): 3.057, SCI: 000442057800092)