氮化钛多孔陶瓷的制备及其力学、电学性能研究

摘要

氮化钛（TiN）多孔陶瓷相对于传统氮化物多孔陶瓷而言，具有良好的导电性，有望作为电极材料应用于储能领域。传统TiN多孔陶瓷的制备方法主要为直接氮化法和碳热还原法，制备得到的TiN多孔陶瓷存在孔隙结构难控制、氮化不完全、且生产成本高、不易实现工业化等问题。基于现有研究现状，本论文提出采用凝胶注模成型结合无压烧结的制备工艺，研究了烧结温度、固含量及烧结助剂等因素对TiN多孔陶瓷孔隙结构的影响规律，并建立了孔隙结构与其力学、电学性能之间的关联关系。 首先，本文采用凝胶注模成型，以非离子型表面活性剂聚乙二醇作为分散剂，用氨水溶液调节料浆pH值，研究了固含量对TiN陶瓷料浆流变性能的影响，结果表明，随着料浆固含量的增加，颗粒间距离减小，促进了料浆颗粒间的相互作用，并阻碍颗粒的运动，从而使得料浆粘度增大。同时研究了单体、引发剂和催化剂含量对料浆胶凝时间的影响；成型过程中，胶凝时间过短会导致局部胶凝过快，时间过长则会导致颗粒发生沉降，影响坯体的均匀性。最终获得添加剂配比为：AM3wt.%、APS0.3wt.%、TEMED0.1wt.%，固含量变化范围为40～55wt.%的最优成型工艺。 其次，研究了烧结温度、固含量对TiN多孔陶瓷物相组成、孔隙率、孔隙微观形貌、孔径大小及孔径分布情况的影响。结果发现，随着烧结温度和固含量的升高，TiN多孔陶瓷孔隙分布均匀，孔隙率和孔径尺寸缓慢减小，其变化范围分别为41.8～59.8%、2.2～3.8μm；Y2O3-TiO2组合烧结助剂的使用使得TiN多孔陶瓷孔隙率下降为27.8～52.0%，但孔隙分布仍然保持均匀。 最后，本文研究了不同条件下TiN多孔陶瓷的力学及电学性能，并建立了孔隙结构与其力学、电学性能之间的关联关系。结果表明，随着固含量、烧结温度的升高和孔隙率的下降，TiN多孔陶瓷抗弯强度和电导率逐渐增大，其变化范围分别为14.2～34.6MPa和7.9～23.1×103S?m-1；随着Y2O3-TiO2组合烧结助剂的引用，在烧结过程产生Y2TiO5和Y2Ti2O7相，进一步促进晶粒发育和孔壁连接，其抗弯强度和电导率分别提高到45.2～101.6MPa和1.6～5.3×104S?m-1。

目录

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 多孔陶瓷简介

1.3 多孔陶瓷制备方法

1.3.1 部分烧结法

1.3.2 添加造孔剂法

1.3.3 模板法

1.3.4 冷冻干燥法

1.3.5 直接发泡法

1.4 凝胶注模成型

1.4.1 凝胶注模成型简介

1.4.2 凝胶注模成型在多孔陶瓷制备中的应用

1.5 论文的提出、研究目的与研究内容

第2章 实验与分析测试方法

2.1 实验原料

2.2 实验设备

2.3 实验工艺流程

2.4 分析测试方法

2.4.1 TiN陶瓷料浆流变性能测试

2.4.2 差热-热重分析

2.4.3物相组成分析

2.4.4 致密度与开气孔率测试

2.4.5 微观形貌分析

2.4.6 孔径尺寸及孔径分布测试

2.4.7 抗弯强度测试

2.4.8 电导率测试

第3章 凝胶注模成型制备TiN多孔陶瓷及其孔隙结构调控

3.1 凝胶注模成型制备TiN陶瓷坯体

3.1.1 TiN陶瓷料浆流变性能

3.1.2 TiN陶瓷凝胶注模成型及湿坯干燥

3.2 TiN多孔陶瓷的制备及其物相组成

3.2.1 TiN陶瓷坯体的排胶制度

3.2.2 TiN多孔陶瓷物相组成

3.3 TiN多孔陶瓷孔隙结构调控

3.3.1 烧结温度对TiN多孔陶瓷孔隙结构的影响

3.3.2 固含量对TiN多孔陶瓷孔隙结构的影响

3.3.3 烧结助剂对TiN多孔陶瓷孔隙结构的影响

3.4 本章小结

第4章 TiN多孔陶瓷力学及电学性能研究

4.1 TiN多孔陶瓷力学性能研究

4.1.1 烧结温度对TiN多孔陶瓷力学性能的影响

4.1.2固含量对TiN多孔陶瓷力学性能的影响

4.1.3 烧结助剂对TiN多孔陶瓷力学性能的影响

4.1.4 TiN多孔陶瓷孔隙率与力学性能的关系

4.2 TiN多孔陶瓷电学性能研究

4.2.1 烧结温度对TiN多孔陶瓷电学性能的影响

4.2.2 固含量对TiN多孔陶瓷电学性能的影响

4.2.3 烧结助剂对TiN多孔陶瓷电学性能的影响

4.2.4 TiN多孔陶瓷孔隙率与电学性能的关系

4.3 本章小结

第5章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及申请专利情况