低成本制备Al2O3-TiCN-Fe复合材料的工艺研究

摘要

近年来，复合材料迅速发展，广泛应用于国民生产生活的各个方面，金属陶瓷复合材料则是其中的一个典型的代表，它不仅有陶瓷良好的耐高温、高强度、抗氧化的性能，而且兼具金属的塑性，具有优良的综合力学性能。Al2O3-TiC基陶瓷是近年来复合材料中的一个研究热点。为了改善Al2O3-TiC基陶瓷的韧性，研究者添加延性金属（如Co、Ni、Mo等）制备Al2O3-TiC-Me复合材料取得了一系列研究进展，但成本较高，不少研究者尝试用价格低廉的Fe取代传统金属，制备Al2O3-TiC-Fe复合材料，但制备工艺也较为复杂。TiCN与TiC相比，物理化学特性更为优良，所以Al2O3-TiCN基陶瓷复合材料与Al2O3-TiC基陶瓷复合材料相比表现出更好的应用前景。
　　本论文以天然钛铁矿为原料，在氮气气氛下，利用其与铝、石墨和之间的铝热、碳热反应，采用原位反应热压烧结工艺制备Al2O3-TiCN-Fe复合材料，系统研究了球磨工艺和烧结工艺对Al2O3-TiCN-Fe复合材料组织和力学性能的影响。本研究结合我国丰富的钛铁矿资源优势，充分利用了钛铁矿中的Fe和Ti元素，以及钛铁矿中本身含有的Al2O3，采用原位反应合成工艺制备性能优良的Al2O3-TiCN-Fe复合材料，反应易于控制且成本较低，为复合材料的制备工艺基础研究和应用奠定了基础。研究结果表明：
　　（1）原料经优化后的干磨与湿磨两种方式球磨后，干磨粉料平均粒度较湿磨粉料平均粒度要小，湿磨粉料粒度呈正态分布。粉料在球磨过程中均未发生化学反应，但干磨粉料球磨后石墨趋于无定形化；
　　（2）干磨粉料烧结后孔隙率较高，湿磨粉料烧结后较为致密。在烧结温度为1400℃，烧结压力20MPa，保温时间30min条件下，湿磨烧结样的抗弯强度达到303MPa，而干磨烧结样的抗弯强度只有217MPa。湿磨烧结样的维氏硬度和密度较干磨烧结样也有小幅提高；
　　（3）对干磨后粉料而言，优化后的烧结工艺参数为：烧结压力30MPa，预置压力15MPa，烧结温度1500℃，保温时间30min，材料性能最好。抗弯强度达到350MPa，维氏硬度达到16.11GPa，密度为4.624 g·cm-3；
　　（4）对湿磨后粉料而言，优化后的烧结工艺参数为：烧结压力30MPa，预置压力15MPa，烧结温度1450℃，保温时间30min，材料性能最好。抗弯强度达到422MPa，维氏硬度达到17.50GPa，密度为4.503g·cm-3。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 Al2O3-TiC-Me复合材料的设计原则

1.3 Al2O3-TiC-Me复合材料

1.4 应用及发展趋势

1.5 烧结的影响因素

1.6 钛铁矿资源的综合利用

1.7 课题的研究内容及意义

2 实验材料和实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验操作步骤

2.3 球磨混料过程

2.4 反应热压烧结过程

2.5式样后处理

2.6 材料性能测试与表征

3 球磨工艺对材料组织和性能的影响

3.1 引言

3.2 粒度分析

3.3 球磨粉料物相分析

3.4 烧结样的物相分析

3.5 粉料烧结性能

3.6 本章小结

4 烧结工艺对材料组织和性能的影响

4.1 引言

4.2 预置压力

4.3 烧结温度

4.4 烧结压力

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录