爆炸壓實(shí)ZrB2-SiC超高溫陶瓷的密度與組織

王和平，梁一鳴，劉時(shí)強(qiáng)，李金平，周玉鋒

(1.中國兵器工業(yè)五二研究所煙臺(tái)分所，煙臺(tái)264003;2.中國人民解放軍93413部隊(duì)飛行一大隊(duì)，山西永濟(jì)044500;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱150080)

爆炸壓實(shí)ZrB2-SiC超高溫陶瓷的密度與組織

王和平1，梁一鳴2，劉時(shí)強(qiáng)3，李金平3，周玉鋒3

(1.中國兵器工業(yè)五二研究所煙臺(tái)分所，煙臺(tái)264003;2.中國人民解放軍93413部隊(duì)飛行一大隊(duì)，山西永濟(jì)044500;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱150080)

為了研究炸藥對(duì)ZrB2－SiC超高溫陶瓷密度與組織的影響，采用爆炸壓實(shí)工藝制備了SiC納米顆粒和SiC晶須分別增韌的兩類ZrB2基超高溫陶瓷復(fù)合材料.研究發(fā)現(xiàn)：選擇低速的硝酸銨或高速的黑索今時(shí)，兩類ZrB2－SiC爆炸壓實(shí)坯密度都比較低，而選擇混合炸藥時(shí)致密效果較好;采用225 g黑索今與75 g硝酸銨的混合炸藥時(shí)，ZrB2－SiCw超高溫陶瓷的最高致密度達(dá)到了95.25%，ZrB2－SiCnm超高溫陶瓷的最高致密度達(dá)到了96.12%;球磨混料后，納米顆?；蚓ы毝寄芫鶆驈浬⒃谖⒚譠rB2基體中.與ZrB2－SiCw超高溫陶瓷爆炸壓實(shí)坯相比，ZrB2－SiCnm超高溫陶瓷顯微組織細(xì)小，且不出現(xiàn)ZrB2與SiC相的富集，是比較理想的顯微結(jié)構(gòu).

爆炸壓實(shí);超高溫陶瓷;ZrB2－SiC;納米SiC;SiC晶須

超高溫陶瓷(UHTCs)［1－3］是由ZrB2或HfB2、ZrC或HfC與SiC組成的脆性復(fù)合材料，其高溫強(qiáng)度和高溫抗氧化性優(yōu)異，使得其能夠勝任于包括超高音速長時(shí)飛行、再入大氣層、跨大氣層飛行和火箭推進(jìn)系統(tǒng)等極端環(huán)境.目前，超高溫陶瓷制備有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，一是工藝的精確控制，二是引入先進(jìn)的制備工藝.爆炸壓實(shí)工藝是利用沖擊波對(duì)粉末絕熱壓縮瞬間所產(chǎn)生的高壓、高溫使粉末材料致密并燒結(jié)的工藝方法［4］.為了改善ZrB2－SiC材料的韌性，李金平等人［5－6］采用混料－爆炸壓實(shí)工藝制備了SiC晶須增韌ZrB2復(fù)合材料，并研究其密度與組織，研究表明，采用該工藝制備的95.25%TD的ZrB2－SiCw復(fù)合材料，其組織為碎片狀的SiC晶須鑲嵌于密堆的ZrB2顆粒間隙中.

本文在研究熱壓工藝制備ZrB2－SiC超高溫復(fù)合陶瓷材料的基礎(chǔ)上［7－8］，采用爆炸壓實(shí)工藝制備SiC納米顆粒、SiC晶須兩種增韌的ZrB2基超高溫陶瓷復(fù)合材料，并對(duì)兩類材料爆炸壓實(shí)坯的密度和微觀組織進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)原材料主要包括ZrB2陶瓷基體粉末，納米SiC粉末和SiC晶須.原材料特性如表1所示.

表1 原材料特性

1.2 制備工藝

為防止納米粒子間發(fā)生團(tuán)聚，采用超聲波分散技術(shù)分散SiC納米粉末.為了防止晶須團(tuán)聚，采用超聲波分散技術(shù)分散SiC晶須.

將已分散的納米SiC與ZrB2基體或SiC晶須與ZrB2基體按配比(SiC與ZrB2的體積比均為20∶80)與硬質(zhì)合金球一齊放入行星式球磨機(jī)內(nèi)研磨，添加兩倍體積的無水酒精，對(duì)添加納米的與添加晶須的分別在轉(zhuǎn)速220、120 r/min條件下混料5 h.

本實(shí)驗(yàn)采用直接爆炸壓實(shí)裝置［4－5］，如圖1所示.將待壓實(shí)的粉末放入20#無縫鋼管內(nèi)，底端用堵頭塞住，裝粉時(shí)振動(dòng)鋼管以使粉末均勻裝實(shí).隨后再用一個(gè)塞子塞住并放入圓柱紙筒的軸心位置.木制圓錐放在管的頂部使炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生壓縮的前沿.鋼管與紙筒間的圓環(huán)間隙填入均勻密度的炸藥，此層為炸藥層.炸藥豎直爆炸，由雷管引爆.

實(shí)驗(yàn)采用鋼管尺寸為:外徑18 mm，內(nèi)徑14 mm，壁厚2 mm，長度100 mm.鋼管密度為7.85 g/cm3，質(zhì)量約78.9 g.上堵頭、下堵頭材料也為20#鋼棒，尺寸為Φ14 mm×10 mm，質(zhì)量約12.1 g.木制尖錐尺寸為Φ18 mm×15 mm;木制底座尺寸為Φ60 mm×20 mm.另外，每根鋼管盛裝粉末的成分均為ZrB2－SiCnm復(fù)合粉或ZrB2－ SiCw復(fù)合粉，且每根鋼管盛裝粉末的質(zhì)量都相差不多，為27.8～29.8 g，其初裝密度約為理論密度的42.4%.

選擇硝酸銨、黑索今單種炸藥以及兩者混合炸藥3種情況.對(duì)單一炸藥，均選擇225、250、275、300、325 g共5種裝藥質(zhì)量;對(duì)混合炸藥，裝藥總質(zhì)量300 g不變，但黑索今炸藥量與硝酸銨炸藥量有變化.由于裝藥質(zhì)量不同，其裝藥密度、爆轟壓力、爆炸坯密度也都各不相同.

圖1 爆炸壓實(shí)裝置示意圖

1.3 致密度測(cè)定及顯微結(jié)構(gòu)觀察

線切割截取試樣，真實(shí)密度采用阿基米德排水法精確測(cè)量;復(fù)合材料的理論密度根據(jù)混合定律計(jì)算;相對(duì)密度為兩者相除的百分比.測(cè)量前將試樣表面清洗吹干，每樣至少測(cè)3次，電光分析天平精度為0.0001 g.

粉末形貌及爆炸壓實(shí)試樣的顯微組織觀察在日立公司生產(chǎn)的S－570型掃描電鏡上進(jìn)行.試樣制備方法是在熱壓坯上截取Φ10 mm×10 mm試樣，人為破壞后在掃描電鏡上觀察斷口組織.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 炸藥種類對(duì)爆炸坯致密度的影響

爆炸壓實(shí)工藝參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.從表2可以看出，采用硝酸銨炸藥的1組試樣未壓實(shí)，致密度不到理論密度的 90%;黑索今(RDX)炸藥爆炸的試樣密度比較高，致密度都超過90%的理論密度，高的達(dá)到93%以上.混合炸藥爆炸坯致密度更高，最理想的爆炸坯的致密度，ZrB2－SiCw超高溫陶瓷達(dá)到了95.25%，ZrB2－SiCnm超高溫陶瓷達(dá)到了96.12%.

2.2 裝藥質(zhì)量(爆轟壓力)對(duì)爆炸壓實(shí)坯致密度的影響

爆轟壓力計(jì)算公式［9］為

式中:P為爆轟壓力;ρe為裝藥密度;υD為實(shí)際爆轟速度.根據(jù)爆轟壓力的計(jì)算公式，爆轟壓力的大小與裝藥密度、爆轟速度的平方成正比.在本文中裝藥密度的變化范圍內(nèi)，爆轟速度近似不變［4，10］.因此，爆轟壓力主要與裝藥密度有關(guān).對(duì)每一種具體的炸藥，裝藥的體積是不變的，隨著裝藥質(zhì)量增加，裝藥密度增加，爆轟壓力也單調(diào)增加.爆轟壓力計(jì)算結(jié)果也列于表2.對(duì)混合炸藥，考慮爆轟時(shí)間極短(μs量級(jí)).因此，只需算各自的爆轟壓力，然后直接相加求和得到混合炸藥的爆轟壓力.

對(duì)具體的每一種炸藥而言，都是隨著裝藥質(zhì)量的增加，爆炸坯致密度增加.另外，綜合考慮爆轟壓力可知，硝酸銨的爆炸坯都沒有壓實(shí)，可能是因?yàn)楸Z壓力不夠.而黑索今炸藥爆轟壓力較高，裝藥質(zhì)量為300 g時(shí)比較理想.因此，本文根據(jù)以上結(jié)果，設(shè)計(jì)了混合炸藥.保證裝藥質(zhì)量總量300 g不變，只變化黑索今與硝酸銨炸藥的質(zhì)量.爆炸坯密度與混合藥中黑索今炸藥質(zhì)量之間關(guān)系可以看出，隨著黑索今炸藥質(zhì)量增加，爆炸坯密度先增加，有1個(gè)最大值.即黑索今225 g與硝酸銨75 g時(shí)，爆炸坯密度最高，ZrB2－SiCw超高溫陶瓷達(dá)到了95.25%，ZrB2－SiCnm超高溫陶瓷達(dá)到了96.12%.這也可以說明，爆轟壓力為5.69 GPa時(shí)可能最合適.爆轟壓力太低，得到的是未壓實(shí)的棒坯;爆轟壓力太高，會(huì)發(fā)生馬赫反射［4，10］，反而使爆炸坯密度下降.

表2 爆炸壓實(shí)ZrB2-SiC超高溫陶瓷的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 粉末形貌及爆炸壓實(shí)坯顯微組織觀察

對(duì)密度最高的爆炸壓實(shí)坯(采用混合炸藥300 g爆炸壓實(shí)得到)掃描得到的形貌照片如圖2、圖3所示.圖2是增韌相SiC與ZrB2基體球磨混料后的組織照片.從圖2可以看出，SiC納米顆粒已均勻彌散在ZrB2基體中;SiC晶須在混料后仍保持晶須形貌，且與 ZrB2基體顆?；旌暇鶆?

圖2 球磨混料后的掃描照片

圖3是兩類爆炸壓實(shí)坯的組織照片，可以看出，ZrB2－SiCnm超高溫陶瓷組織比較均勻，顆粒比較細(xì)小;而ZrB2－SiCw超高溫陶瓷中，ZrB2基體組織比較粗大，SiC晶須消失.這是因?yàn)樵诒▔簩?shí)過程中，由于爆炸沖擊波的作用，SiC晶須被折斷成碎片，鑲嵌于較大的ZrB2顆粒中.在爆炸坯的微區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了ZrB2基體與SiC晶須的輕度富集，未壓實(shí)的爆炸坯中還出現(xiàn)孔洞，導(dǎo)致致密度較低.與爆炸壓實(shí)ZrB2－SiCw試樣相比，ZrB2－SiCnm超高溫陶瓷的組織細(xì)小得多，且不出現(xiàn)ZrB2與SiC相的富集，是理想的顯微結(jié)構(gòu).

為了避免晶須折斷，對(duì)添加晶須的陶瓷復(fù)合材料，混料時(shí)采用較小的球磨速度，ZrB2基體顆粒仍保持粗大.而添加納米顆粒的陶瓷復(fù)合材料在球磨過程中，由于球磨速度較高明顯被細(xì)化了.

圖3 爆炸壓實(shí)坯掃描照片

3 結(jié)論

1)采用混料－爆炸壓實(shí)工藝分別制備了納米SiC增韌與SiC晶須增韌的兩類致密度較高的ZrB2基超高溫陶瓷復(fù)合材料.

2)炸藥選擇直接影響爆炸坯的密度，當(dāng)選擇低速的硝酸銨和高速的黑索今，爆炸壓實(shí)坯密度都比較低，而選擇黑索今與硝酸銨的混合炸藥時(shí)致密效果較好.

3)對(duì)單種炸藥，隨著裝藥密度的增加，爆轟壓力與爆炸坯密度單調(diào)增加;對(duì)混合炸藥，隨著黑索今炸藥質(zhì)量的增加，爆轟壓力單調(diào)增加，爆炸坯密度先增加后減小，有最大值.

4)球磨混料后，SiC納米顆粒與SiC晶須都能均勻彌散到ZrB2基體中.爆炸壓實(shí)坯的組織分析表明，納米SiC增韌的ZrB2陶瓷顯微組織明顯比SiC晶須增韌的細(xì)小，且不出現(xiàn)ZrB2與SiC相的富集，是比較理想的顯微結(jié)構(gòu).

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Densities and microstructure of ultrahigh temperature ceramics ZrB2-SiC prepared by explosive compaction

WANG He-ping1，LIANG Yi-ming2，LIU Shi-qiang3，LI Jing-ping3，ZHOU Yu-feng3
(1.Yantai Branch，No.52 Institute，Ministry of Ordnance Industry of PRC，Yantai 264003，China;2.The First Flight Group
of 93413 Troops，Yongji 044500，China;3.Center for Composite Materials，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China)

To study the effect of explosive on densities and microstructure of ultrahigh temperature ceramics ZrB2－SiC，two kinds of ZrB2matrix toughened by SiC whisker or SiC nanoparticles were prepared by explosive compaction.When low speed explosive Ammonium or high speed RDX was chosen，the densities of ZrB2－SiC ceramics were lower.While，when the hybrid explosive of Ammonium and RDX was chosen，their densities were higher.If the hybrid explosive of 225 g RDX and 75 g Ammonium was used，the maximum value of the densities of ZrB2－SiCw ultrahigh temperature ceramics was 95.25%，and that of ZrB2－SiCnm was 96.12%.The SiC nanoparticles or SiC whisker can be uniformly dispersed in the micrometer ZrB2matrix after mixing.Compared with ZrB2－SiCw，the microstructure of ZrB2－SiCnm is finer，more uniform and perfect without phase segregation.

explosive compaction;ultrahigh temperature ceramics;ZrB2－SiC;SiC nanoparctiles;SiC whisker

TH133;TP183 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2011)05－0050－04

2010－12－08.

特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(HIT.KLOF.2009034).

王和平(1952－)，男，高工.

(編輯 呂雪梅)