爆炸压实ZrB2-SiC超高温陶瓷的密度与组织

王和平，梁一鸣，刘时强，李金平，周玉锋

(1.中国兵器工业五二研究所烟台分所，烟台264003;2.中国人民解放军93413部队飞行一大队，山西永济044500;3.哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨150080)

爆炸压实ZrB2-SiC超高温陶瓷的密度与组织

王和平1，梁一鸣2，刘时强3，李金平3，周玉锋3

(1.中国兵器工业五二研究所烟台分所，烟台264003;2.中国人民解放军93413部队飞行一大队，山西永济044500;3.哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨150080)

为了研究炸药对ZrB2－SiC超高温陶瓷密度与组织的影响，采用爆炸压实工艺制备了SiC纳米颗粒和SiC晶须分别增韧的两类ZrB2基超高温陶瓷复合材料.研究发现：选择低速的硝酸铵或高速的黑索今时，两类ZrB2－SiC爆炸压实坯密度都比较低，而选择混合炸药时致密效果较好;采用225 g黑索今与75 g硝酸铵的混合炸药时，ZrB2－SiCw超高温陶瓷的最高致密度达到了95.25%，ZrB2－SiCnm超高温陶瓷的最高致密度达到了96.12%;球磨混料后，纳米颗粒或晶须都能均匀弥散在微米ZrB2基体中.与ZrB2－SiCw超高温陶瓷爆炸压实坯相比，ZrB2－SiCnm超高温陶瓷显微组织细小，且不出现ZrB2与SiC相的富集，是比较理想的显微结构.

爆炸压实;超高温陶瓷;ZrB2－SiC;纳米SiC;SiC晶须

超高温陶瓷(UHTCs)［1－3］是由ZrB2或HfB2、ZrC或HfC与SiC组成的脆性复合材料，其高温强度和高温抗氧化性优异，使得其能够胜任于包括超高音速长时飞行、再入大气层、跨大气层飞行和火箭推进系统等极端环境.目前，超高温陶瓷制备有两个关键技术，一是工艺的精确控制，二是引入先进的制备工艺.爆炸压实工艺是利用冲击波对粉末绝热压缩瞬间所产生的高压、高温使粉末材料致密并烧结的工艺方法［4］.为了改善ZrB2－SiC材料的韧性，李金平等人［5－6］采用混料－爆炸压实工艺制备了SiC晶须增韧ZrB2复合材料，并研究其密度与组织，研究表明，采用该工艺制备的95.25%TD的ZrB2－SiCw复合材料，其组织为碎片状的SiC晶须镶嵌于密堆的ZrB2颗粒间隙中.

本文在研究热压工艺制备ZrB2－SiC超高温复合陶瓷材料的基础上［7－8］，采用爆炸压实工艺制备SiC纳米颗粒、SiC晶须两种增韧的ZrB2基超高温陶瓷复合材料，并对两类材料爆炸压实坯的密度和微观组织进行研究.

1 实验

1.1 原材料

实验原材料主要包括ZrB2陶瓷基体粉末，纳米SiC粉末和SiC晶须.原材料特性如表1所示.

表1 原材料特性

1.2 制备工艺

为防止纳米粒子间发生团聚，采用超声波分散技术分散SiC纳米粉末.为了防止晶须团聚，采用超声波分散技术分散SiC晶须.

将已分散的纳米SiC与ZrB2基体或SiC晶须与ZrB2基体按配比(SiC与ZrB2的体积比均为20∶80)与硬质合金球一齐放入行星式球磨机内研磨，添加两倍体积的无水酒精，对添加纳米的与添加晶须的分别在转速220、120 r/min条件下混料5 h.

本实验采用直接爆炸压实装置［4－5］，如图1所示.将待压实的粉末放入20#无缝钢管内，底端用堵头塞住，装粉时振动钢管以使粉末均匀装实.随后再用一个塞子塞住并放入圆柱纸筒的轴心位置.木制圆锥放在管的顶部使炸药爆炸时产生压缩的前沿.钢管与纸筒间的圆环间隙填入均匀密度的炸药，此层为炸药层.炸药竖直爆炸，由雷管引爆.

实验采用钢管尺寸为:外径18 mm，内径14 mm，壁厚2 mm，长度100 mm.钢管密度为7.85 g/cm3，质量约78.9 g.上堵头、下堵头材料也为20#钢棒，尺寸为Φ14 mm×10 mm，质量约12.1 g.木制尖锥尺寸为Φ18 mm×15 mm;木制底座尺寸为Φ60 mm×20 mm.另外，每根钢管盛装粉末的成分均为ZrB2－SiCnm复合粉或ZrB2－ SiCw复合粉，且每根钢管盛装粉末的质量都相差不多，为27.8～29.8 g，其初装密度约为理论密度的42.4%.

选择硝酸铵、黑索今单种炸药以及两者混合炸药3种情况.对单一炸药，均选择225、250、275、300、325 g共5种装药质量;对混合炸药，装药总质量300 g不变，但黑索今炸药量与硝酸铵炸药量有变化.由于装药质量不同，其装药密度、爆轰压力、爆炸坯密度也都各不相同.

图1 爆炸压实装置示意图

1.3 致密度测定及显微结构观察

线切割截取试样，真实密度采用阿基米德排水法精确测量;复合材料的理论密度根据混合定律计算;相对密度为两者相除的百分比.测量前将试样表面清洗吹干，每样至少测3次，电光分析天平精度为0.0001 g.

粉末形貌及爆炸压实试样的显微组织观察在日立公司生产的S－570型扫描电镜上进行.试样制备方法是在热压坯上截取Φ10 mm×10 mm试样，人为破坏后在扫描电镜上观察断口组织.

2 试验结果与讨论

2.1 炸药种类对爆炸坯致密度的影响

爆炸压实工艺参数与实验结果如表2所示.从表2可以看出，采用硝酸铵炸药的1组试样未压实，致密度不到理论密度的 90%;黑索今(RDX)炸药爆炸的试样密度比较高，致密度都超过90%的理论密度，高的达到93%以上.混合炸药爆炸坯致密度更高，最理想的爆炸坯的致密度，ZrB2－SiCw超高温陶瓷达到了95.25%，ZrB2－SiCnm超高温陶瓷达到了96.12%.

2.2 装药质量(爆轰压力)对爆炸压实坯致密度的影响

爆轰压力计算公式［9］为

式中:P为爆轰压力;ρe为装药密度;υD为实际爆轰速度.根据爆轰压力的计算公式，爆轰压力的大小与装药密度、爆轰速度的平方成正比.在本文中装药密度的变化范围内，爆轰速度近似不变［4，10］.因此，爆轰压力主要与装药密度有关.对每一种具体的炸药，装药的体积是不变的，随着装药质量增加，装药密度增加，爆轰压力也单调增加.爆轰压力计算结果也列于表2.对混合炸药，考虑爆轰时间极短(μs量级).因此，只需算各自的爆轰压力，然后直接相加求和得到混合炸药的爆轰压力.

对具体的每一种炸药而言，都是随着装药质量的增加，爆炸坯致密度增加.另外，综合考虑爆轰压力可知，硝酸铵的爆炸坯都没有压实，可能是因为爆轰压力不够.而黑索今炸药爆轰压力较高，装药质量为300 g时比较理想.因此，本文根据以上结果，设计了混合炸药.保证装药质量总量300 g不变，只变化黑索今与硝酸铵炸药的质量.爆炸坯密度与混合药中黑索今炸药质量之间关系可以看出，随着黑索今炸药质量增加，爆炸坯密度先增加，有1个最大值.即黑索今225 g与硝酸铵75 g时，爆炸坯密度最高，ZrB2－SiCw超高温陶瓷达到了95.25%，ZrB2－SiCnm超高温陶瓷达到了96.12%.这也可以说明，爆轰压力为5.69 GPa时可能最合适.爆轰压力太低，得到的是未压实的棒坯;爆轰压力太高，会发生马赫反射［4，10］，反而使爆炸坯密度下降.

表2 爆炸压实ZrB2-SiC超高温陶瓷的实验结果

2.3 粉末形貌及爆炸压实坯显微组织观察

对密度最高的爆炸压实坯(采用混合炸药300 g爆炸压实得到)扫描得到的形貌照片如图2、图3所示.图2是增韧相SiC与ZrB2基体球磨混料后的组织照片.从图2可以看出，SiC纳米颗粒已均匀弥散在ZrB2基体中;SiC晶须在混料后仍保持晶须形貌，且与 ZrB2基体颗粒混合均匀.

图2 球磨混料后的扫描照片

图3是两类爆炸压实坯的组织照片，可以看出，ZrB2－SiCnm超高温陶瓷组织比较均匀，颗粒比较细小;而ZrB2－SiCw超高温陶瓷中，ZrB2基体组织比较粗大，SiC晶须消失.这是因为在爆炸压实过程中，由于爆炸冲击波的作用，SiC晶须被折断成碎片，镶嵌于较大的ZrB2颗粒中.在爆炸坯的微区内出现了ZrB2基体与SiC晶须的轻度富集，未压实的爆炸坯中还出现孔洞，导致致密度较低.与爆炸压实ZrB2－SiCw试样相比，ZrB2－SiCnm超高温陶瓷的组织细小得多，且不出现ZrB2与SiC相的富集，是理想的显微结构.

为了避免晶须折断，对添加晶须的陶瓷复合材料，混料时采用较小的球磨速度，ZrB2基体颗粒仍保持粗大.而添加纳米颗粒的陶瓷复合材料在球磨过程中，由于球磨速度较高明显被细化了.

图3 爆炸压实坯扫描照片

3 结论

1)采用混料－爆炸压实工艺分别制备了纳米SiC增韧与SiC晶须增韧的两类致密度较高的ZrB2基超高温陶瓷复合材料.

2)炸药选择直接影响爆炸坯的密度，当选择低速的硝酸铵和高速的黑索今，爆炸压实坯密度都比较低，而选择黑索今与硝酸铵的混合炸药时致密效果较好.

3)对单种炸药，随着装药密度的增加，爆轰压力与爆炸坯密度单调增加;对混合炸药，随着黑索今炸药质量的增加，爆轰压力单调增加，爆炸坯密度先增加后减小，有最大值.

4)球磨混料后，SiC纳米颗粒与SiC晶须都能均匀弥散到ZrB2基体中.爆炸压实坯的组织分析表明，纳米SiC增韧的ZrB2陶瓷显微组织明显比SiC晶须增韧的细小，且不出现ZrB2与SiC相的富集，是比较理想的显微结构.

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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 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2011)05－0050－04

2010－12－08.

特种环境复合材料技术国防科技重点实验室开放基金资助项目(HIT.KLOF.2009034).

王和平(1952－)，男，高工.

(编辑 吕雪梅)