纳米Ni/微米TiB包覆颗粒的Hybridization制备与烧结特性

摘要

金属陶瓷是一种由金属或者合金同一种或者几种陶瓷相所组成的非均质的复合材料。它既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又有较好的金属韧性和可塑性，是一类应用广泛的复合材料。TiB2陶瓷由于具有极高的熔点、硬度和优良的导电性、化学稳定性与耐腐蚀性、韧性好及比重轻等优异性能，使其成为制备金属陶瓷复合材料的优异候选材料。但由于TiB2陶瓷和大多数金属的润湿性都不好，使TiB2基金属陶瓷烧结时致密化过程困难。金属Ni是和TiB2陶瓷润湿性较好的金属之一，如何得到高致密度的TiB2-Ni金属陶瓷对TiB2基金属陶瓷的制备和烧结具有重要的指导意义。 Hybridization(简称HYB)系统是由日本科学家MasumiKoishi和HirotakaHonda等在1986年提出的高速气流冲击式粉体表面改性系统。物料在HYB系统的高速转子、气流等共同作用下被迅速分散，并受到强大的冲击力作用，同时也包括受到粒子间相互作用的压缩、摩擦、剪切、撞击等多种力的作用，在短时间(1～10min)内均匀地完成固定、成膜或球形化处理。已有的研究表明：HYB系统可制备纳米级颗粒包覆在微米级颗粒的表面形成良好的包覆结构。 本文在改进传统混合方法制备TiB2-Ni金属陶瓷混合粉的基础上，利用HYB系统采用不同的工艺条件制备得到纳米Ni/微米TiB2包覆颗粒的包覆粉和混合包覆粉。首先从理论计算和模拟的角度上证明了制备纳米Ni/微米TiB2包覆颗粒的可行性。其后在研究不同工艺条件对HYB制备过程和产物粉末结构的影响关系的同时，也研究了混合粉、包覆粉、混合包覆粉的特性。最后采用热压烧结方法和SPS技术对混合粉和混合包覆粉进行了烧结，并对烧结体的结构和性能做了对比。 理论计算和模拟结果证明：纳米Ni颗粒碰撞TiB2颗粒可以形成单层或者多层的包覆结构。随着碰撞速度的提高和碰撞角度的增大，越有利于形成薄膜结构而且薄膜的厚度在减小。速度为200m/s时80nm粒径的Ni颗粒可形成厚度为10.5nm的单层薄膜结构和厚度为21nm的两层薄膜结构。而纳米Al2O3颗粒不管以任何速度和角度碰撞TiB2颗粒都不可能形成单层和多层包覆结构。 对不同工艺条件对HYB制备过程和产物粉末结构影响关系的研究结果表明：制备包覆粉和混合包覆粉时，HYB温度随转速的提高而升高；HYB温度随时间的延长先升高到一个平台而后下降；HYB回收量随转速的提高而升高；包覆粉HYB回收量随时间的延长影响不大，而混合包覆粉HYB回收量随时间的延长而增大。由于包覆粉温度升的更高，使得部分包覆粉中纳米Ni被氧化；而混合包覆粉因为温度升高的较低没有发现纳米Ni氧化。包覆粉和混合包覆粉的表面纳米Ni随转速的提高和时间的延长由颗粒状慢慢转化为薄膜，且颗粒的外形具有圆滑化的趋势。包覆粉和混合包覆粉都形成了单层包覆和多层包覆结构，验证了理论计算和模拟的结果。 对混合粉、包覆粉、混合包覆粉特性的研究表明：低压时混合粉的密度高于包覆粉和混合包覆粉，是因为低压时金属粉末尚没有进入到间隙中；高压时部分混合包覆粉(转速为12000r/min)的密度高于混合粉，是因为金属塑性变形促进密实化的作用。抗氧化增重性能结果说明：混合包覆粉相对混合粉具有更好的抗氧化增重性能。XPS分析结果也说明混合包覆粉比混合粉、包覆粉都具有较好的包覆结构。投料量的改变进一步证明投料量为44.13g时制备混合包覆粉的合理性。从而得到制备良好包覆结构的纳米Ni/微米TiB2包覆颗粒的最佳工艺是：以混合粉为原料，转速12000r/min，时间10min，投料量44.13g。 1100℃时热压烧结混合粉，烧结体相对密度93.6％、硬度92.7HRA、抗弯强度315MPa。在同样条件下热压烧结混合包覆粉，烧结体相对密度97.7％，相对混合粉提高4％左右；硬度93.5HRA，相对混合粉提高0.8HRA；抗弯强度337MPa，相对混合粉提高7％。金相分析说明混合包覆粉热压烧结时因为纳米Ni薄膜存在于TiB2颗粒的表面，阻碍了TiB2颗粒的生长和长大。 1100℃时SPS烧结混合粉，烧结体相对密度95.8％、硬度92.7HRA。1000℃时SPS烧结混合包覆粉，烧结体相对密度99.5％，相对混合粉高3.7％；硬度93.2HRA，相对混合粉高0.5HRA。混合包覆粉在更低的温度下SPS烧结，且性能高于混合粉。金相分析说明混合包覆粉SPS烧结过程中在晶界处存在一些Ni的富集，部分包覆结构保留在烧结体中，阻碍了TiB2颗粒的生长和长大。SPS技术相对HP方法是一种更好的金属陶瓷制备技术。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

第二章HYB包覆过程的理论计算和模拟

第三章TiB2-Ni金属陶瓷粉末的制备及其特性

第四章TiB2-Ni金属陶瓷粉末的烧结和性能

第五章结论

参考文献

作者在攻读博士学位期间发表的论文

致谢