TiB2-TiB-Ti梯度材料的制备与力学性能研究

摘要

由于硼化钛陶瓷具有很高的强度、硬度和弹性模量，钛金属具有很高的塑韧性，依照功能梯度材料设计思想，以TiBx-Ti构成的梯度材料将同时具有上述两种材料的优异力学性能，而且由于材料中不存在明显的界面，这种防弹材料理论上拥有极高的抗弹丸侵彻能力，在防护领域有巨大的应用潜力。但是，相关的报道资料与上述理论预测并不一致。其中由于制备技术的限制，梯度材料的结构并不合理被认为是这种理论与实际不一致的主要原因。如何制备和评价结构完好的梯度材料是解决上述问题的关键。
　　 本文以TiB2粉末和Ti粉末为原料，采用“分段烧结-连接”的方法在热压炉中制备了TiB2-TiB-Ti阶层式梯度材料，分段烧结的方式最大程度地优化了材料整体微观结构，保证了不同阶层的力学性能。
　　 在利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、材料力学性能试验机等分析测试手段研究和分析TiB2-TiB-Ti梯度材料的显微组织及力学行为中获得了如下结果:
　　 基于一种三组分、双梯度的设计思想，通过化学反应设计与结构工艺控制，制备了TiB2-TiB-Ti梯度材料。结构分析显示，材料显微结构均匀，整体致密度均在96％以上，无明显的宏观缺陷。沿厚度方向，材料组分呈双梯度变化，从TiB2到TiB，再到Ti。各层材料成分均匀，层与层之间没有明显的界面，表现出宏观组织的不均匀性与微观组织的连续性。
　　 从陶瓷向金属方向进行压缩和弯曲测试力学性能结果表明，TiB2-TiB-Ti梯度材料的压缩强度与弯曲强度分别为1296MPa和1059MPa，基本在理论预测范围内。沿材料厚度方向，硬度、压缩强度、弯曲强度与弹性模量等基本力学性能均呈梯度性变化。
　　 对TiB2/TiB/Ti均匀复合材料的断口分析表明，富TiB2层复合材料以沿晶和穿晶断裂为主，呈典型的脆性断裂特征;富TiB层以沿晶断裂为主，为脆性断裂;富Ti层以延性断裂为主，宏观上表现为塑性断裂。TiB2-TiB-Ti梯度材料的断裂表明，当富TiB2层产生裂纹后，裂纹呈折线型向金属端扩展，在多个界面处发生偏转，裂纹偏转增长了裂纹的扩展路径，增加了断裂能量消耗，降低了裂纹的破坏性。
　　 TiB2-Ti梯度材料中加入TiB陶瓷相，既对TiB2陶瓷起到了增韧作用，又对Ti金属起到了增强作用，同时作为陶瓷性向金属性过渡的缓冲材料，消除了两相性能上突兀的变化，促进材料的紧密连接，提高材料的使用性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 功能梯度材料研究现状

1．1．1 功能梯度材料的设计

1．1．2 功能梯度材料的制备

1．1．3 功能梯度材料的评价

1．2 TiBx／Ti复合材料研究现状

1．2．1 TiBx／Ti均匀复合材料

1．2．2 TiBx-Ti功能梯度材料

1．3 研究目的及内容

第二章 实验方案和研究方法

2．1 实验方案与流程

2．2 实验原料及其处理

2．2．1 原材料

2．2．3 原材料的混合

2．3 材料制备方法及设备

2．3．1 放电等离子烧结

2．3．2 热压烧结

2．4 材料分析测试方法及设备

2．4．1 材料分析

2．4．2 材料性能测试

2．4．3 其它设备

第三章 均匀TiB2／TiB／Ti复合材料的制备

3．1 TiB2／TiB／Ti复合材料的SPS制备工艺

3．2 实验结果分析

3．2．1 每一组样品的显微形貌及XRD图谱

3．2．2 每组样品的致密度

3．3 TiB陶瓷的生长机制

3．4 TiB2／TiB陶瓷的SPS烧结密实化

3．5 本章小结

第四章 TiB2-TiB-Ti梯度材料的制备与结构特征

4．1 TiB2-TiB-Ti梯度材料的热压制备

4．2 TiB2-TiB-Ti梯度材料的相组成

4．3 TiB2-TiB-Ti梯度材料的微观形貌

4．3 TiB2-TiB-Ti梯度材料的致密度

4．4 本章小结

第五章 TiB2-TiB-Ti梯度材料的力学性能

5．1 TiB2-TiB-Ti梯度材料的力学性能

5．1．1 硬度

5．1．2 压缩强度

5．1．3 弯曲强度与弹性模量

5．2 TiB2-TiB-Ti梯度材料的断裂方式

5．3 TiB陶瓷对TiB2-TiB-Ti梯度材料性能的影响

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢