ZrB2–SiC-WC复合材料在2000°C高温下的抗氧化性能，以及在高氧分压和低氧分压条件下的抗氧化性能

《ACS Applied Engineering Materials》：Oxidation Resistance of ZrB2–SiC-WC Composites up to 2000 °C at High and Low Oxygen Partial Pressure

研究通过添加WC（3.6 vol%）和调整SiC含量（30 vol%）至ZrB2基复合材料，探究其在1800-2000°C高温氧化下的稳定性。实验表明，WC的存在增强了表面B2O3-SiO2保护层密度，抑制氧渗透，而纯ZrB2-SiC样品因多孔ZrO2层导致严重退化，氧吸收量增加。Spark等离子烧结工艺有效提升了材料抗氧化性能。

　　

用于高超音速飞行应用的ZrB₂-SiC-WC复合材料需要具备一层基于B₂O₃-SiO₂的表面层，该表面层覆盖在致密的ZrO₂层上，以抑制高温氧化。此前我们发现，在ZrB₂-20 vol % SiC的复合材料中添加3.6 vol %的WC可以提高其在1800 °C时的稳定性，这种稳定性主要得益于底层ZrO₂层的致密化。在本文中，我们探讨了增加SiC含量是否能够进一步提升这种稳定性。我们将SiC含量提高至30%，并研究了SiC氧化过程中产生的额外SiO₂是否能在2000 °C以下提供额外的保护作用。ZrB₂-30 vol % SiC-3 vol % WC复合材料通过SPS工艺在1950 °C下制备，并在多种氧化条件下进行了测试。不含WC的样品（Z30S）在1800 °C的空气中表面出现显著降解，其基于B₂O₃-SiO₂的保护层被破坏，同时形成了多孔的ZrO₂层，导致氧气能够渗透进去。而含有WC的样品（Z30SW）在相同条件下仍能保持保护层，其ZrO₂层和基于B₂O₃-SiO₂的保护层比Z30S及之前研究的复合材料更加致密。经过1800 °C、15分钟的空气暴露后，Z30S的重量减少了1.51 ± 0.18 mg cm^–2，而Z30SW的重量增加了1.96 ± 0.08 mg cm^–2。在2000 °C、低pO₂（约10^–6 Pa）条件下暴露15分钟后，样品中的SiC发生活性氧化，基于SiO₂的保护层也被破坏。在这种低pO₂环境下不会形成ZrO₂层，因此表面形成了高度多孔的ZrB₂骨架，导致Z30S的表面层受损，厚度达到40 μm。相比之下，Z30SW样品中的ZrB₂骨架厚度减少了30%，结构完整且更加致密，从而显著减少了氧气对基体复合材料的侵蚀。