ZrB2超高温陶瓷飞秒重熔增韧工艺研究开题报告
一 研究背景
飞秒激光于1979年问世并广泛应用于航空、航天和医学等领域。飞秒激光是脉宽为几飞秒至几百飞秒的脉冲激光。当其作用于材料时，会发生复杂的能量传递及扩散现象，如电子-电子驰豫及电子-晶格驰豫等过程，电子-电子驰豫及电子-晶格驰豫的时间大于飞秒激光的脉冲宽度，因此晶格在脉冲作用的时间内基本保持原来的温度，不发生明显的升温，此过程称为飞秒激光“冷加工”。利用飞秒激光扫描材料制备表面微纳米结构材料，能改善材料表面的性能、润湿性及提高表面的生物相容性等等，所以在微纳米结构领域方面，飞秒激光有着被进一步研究的前景和价值。
ZrB2材料有很多的优点，有高强度，高硬度，良好的导热导电性，熔点高 其熔点大约有3000℃等其他的性能。ZrB2属于陶瓷材料，主要有离子键与共价键构成，而Zr-B离子键以及B-B共价键的强键性决定了材料的高硬度、高强度、脆性和稳定性，也正是由于这种独特的晶体结构使得ZrB2粉体难以制备以及后期粉末。ZrB2可用于航天领域，比如在高超声速飞行器的翼前缘、鼻锥处和外部热保护系统、火箭推进系统 以及再入飞行器等方面具有很大的应用前景。除此之外，ZrB2因为其电阻率低，有利于传递电子，在高能流的电火花等离子体中有高的热稳定性可作为电极材料；ZrB2因其硬度高，成膜物本身又是绝缘体，所以可以作为耐腐蚀，绝缘的涂层。
纳米陶瓷是指晶界宽度、晶粒尺寸、缺陷尺寸和第二相分布都在纳米量级上。纳米陶瓷与普通陶瓷相比, 具有特殊的物理和化学性能。因此, 其在新材料与新技术方面将具有极其重要的地位。纳米陶瓷的力学性能主要体现在硬度、弯曲强度、延展性和断裂韧度等。就硬度而言, 纳米陶瓷是普通陶瓷的5倍甚至更高。普通陶瓷是一种脆性材料, 在常温下没有超塑性, 很难发生形变。原因是其内部滑移系统少, 错位运动困难, 错位密度小。只有达到1000℃以上, 陶瓷才具有一定的塑形。纳米陶瓷不但粒径较小, 且界面的原子排列较复杂、混乱, 又含有众多的不饱和键。原子在变形作用下很容易发生移动, 因此表现出较好的延展性和韧性。纳米陶瓷最广泛的应用在涂层与包覆材料方面，因为纳米陶瓷具有极小的热导率和特殊的电磁性能, 所以人们常通过一定的物理和化学方法, 将其均匀地包覆在物体表面, 用作隔热抗氧化、耐磨、生物、压电和吸波涂层。
二 国内外研究现状
陶瓷一般通过成型干燥烧结或者热压烧结获得，所以陶瓷晶体的总是不可避免的拥有很多的孔洞，使其塑性韧性下降。一般获得的陶瓷的晶粒尺寸都为微米级别，所以陶瓷都很脆。其尺寸的纳米化大大提升了晶界数量, 使材料的超塑性和力学性能大为提高, 极为有效地克服了传统陶瓷的弊端，纳米化是被认为解决脆性问题的关键。
增强ZrB2的性能有很多的方法，都是通过烧结使其结构变得致密。常见的制备工艺包括，热压烧结，无压烧结，反应热压烧结，放电等离子体烧结。热压烧结是ZrB2陶瓷的主要制备方法。相对于传统的无压烧结( PS) ，热压烧结可同时提供ZrB2粉体致密化所需的温度和压力，从而获得致密度较高的陶瓷材料。Neuman 等采用了粉体粒径为2mu;m的ZrB2 为原料热压烧结了单相ZrB2陶瓷，烧结后的样品相对致密度达到了 96% 以上，烧结温度高达2100℃。放电等离子体烧结是一种新型的使陶瓷致密化的方法，其使用电极脉冲直流电，在颗粒间隙中产生放电等离子体，使颗粒活化合并增加致密度。而近年来研究发现，在不添加烧结助剂的情况下，要降低陶瓷的致密化温度可以通过减小烧结过程中的粉体粒径来实现。发现通过高能球磨的方式减小ZrB2粉体的粒径可显著降低其致密化烧结温度。在其他条件相同的情况下，纳米ZrB2 粉体在1625 ℃就达到了微米 ZrB2 粉体在2000℃才能达到的致密度。
但是近年来又有学者发现进行纳米化的颗粒并不能获得所需要的韧性，陶瓷的相对密度随着烧结温度和烧结压力的增加先线性增加后逐渐趋近于平缓，随着保温时间的增加而增加但是升温速度越大密度反而会下降，Sairam等研究了烧结温度和保温时间对碳化硼陶瓷致密度的影响。在1800°C、50MPa下保温15min可以得到几乎完全致密的碳化硼陶瓷，其中，碳化硼陶瓷的致密化开始于1500°C，而致密化主要发生在1500°C-1700°C，而1700°C~1800°C则主要是样品中孔隙的排出阶段。章嵩等采用放电等离子烧结技术进行了不同温度下反应烧结碳化硼陶瓷的研究，结果发现，当烧结温度为1700℃时，材料的相对密度为90%，烧结温度提高到1900°C时，致密度可达95%，均低于传统烧结方法达到相同致密度时的烧结温度。而ZrB2的服役温度可达3000℃，难免会存在间隙。
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