放电等离子烧结制备TiC--TiB2陶瓷复合材料

摘要

TiC和TiB2均具有很高的熔点、硬度、化学稳定性、导电性、导热性及相对低的热膨胀系数等特性，故被认为是极具潜力的高温结构陶瓷材料，在特殊电极、切削刀具、耐磨零部件以及其他特殊行业具有广泛的应用。目前国内外报道的TiC-TiB2复合材料的制备主要有自蔓延高温合成、无压液相烧结、热压烧结、反应烧结以及浮区和电弧熔炼等方法，其中报道最多的是采用自蔓延高温合成也称燃烧合成技术。放电等离子烧结(SPS)的热效率高、烧结温度低、时间短、升降温快，对于难烧结材料的烧结致密化独具优势。而目前有关SPS烧结法合成TiC-TiB2陶瓷复合材料的报道尚不多见。本试验采用SPS烧结制备技术，制备了分别添加金属Ni，Cu或Ti的TiC-TiB2陶瓷复合材料，并详细研究了添加金属的种类、烧结温度和保温时间对TiC-TiB2陶瓷复合材料的物相、显微结构、体积密度及力学性能的影响。
　　实验结果表明:(1) XRD物相分析显示，上述三个系列陶瓷复合材料的基体相均为TiC和TiB2两相，而TiC-TiB2-Cu系列的样品除了基体相还检测到少量Cu存在。(2) SEM显微组织观察显示，上述三个系列陶瓷复合材料的基体TiC和TiB2相均匀分布，且金属相多分布于相界和晶界处。其中TiC-TiB2-Ni陶瓷复合材料的基体上观察到部分纳米级弥散颗粒分布在基体相中，经分析其为金属间化合物NiTi2相，这是TiC-TiB2-Ni陶瓷复合材料独有的形貌特征。(3)上述三个系列陶瓷复合材料均呈现出穿晶和沿晶断裂的混合断裂方式，而添加Ni和Cu体系的断口形貌的韧性断裂特征更为明显。(4)采用TiC、TiB2和金属Ni为原料，在真空下，经1400℃×5 min SPS烧结，可以制备出综合性能最佳的TiC-TiB2-Ni陶瓷复合材料，其体积密度、维氏硬度和断裂韧性分别为4.92 g/cm3、21.3 GPa和4.85 MPa·m1/2。采用TiC、TiB2和金属Cu为原料，在真空下，经1600℃×5min SPS烧结，可以制备出综合性能最佳的TiC-TiB2-Cu陶瓷复合材料，其体积密度、维氏硬度和断裂韧性分别为4.91 g/cm3、19.8 GPa和4.28 MPa·m1/2。采用TiC、TiB2和金属Ti为原料，在真空下，经1600℃×5 min SPS烧结，可以制备出综合性能最佳的TiC-TiB2-Ti陶瓷复合材料，其体积密度、维氏硬度和断裂韧性分别为4.81 g/cm3、20.3 GPa和3.91 MPa·m1/2。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 复合材料概述

1．1．1 复合材料

1．1．2 陶瓷基复合材料

1．2 TiB2陶瓷材料

1．2．1 TiB2粉体的制备方法

1．2．2 TiB2陶瓷的研究进展及应用

1．3 TiC陶瓷材料

1．3．1 TiC粉体的制备方法

1．3．2 TiC陶瓷的研究进展及应用

1．4 TiC-TiB2复合陶瓷的合成与制备

1．4．1 TiC-TiB2复合陶瓷

1．4．2 粉末烧结及致密化

1．4．3 热等静压烧结

1．4．4 爆炸烧结

1．4．5 反应烧结

1．4．6 微波烧结

1．4．7 瞬间塑性相加工技术

1．4．8 自蔓延高温合成技术

1．4．9 放电等离子烧结技术

1．5 本文的研究目的及意义

第2章 实验过程

2．1 实验目的

2．2 实验原料

2．3 实验设备

2．4 TiC-TiB2复合材料的制备

2．5 TiC-TiB2复合粉体的烧结

2．6 TiC-TiB2复合材料的显微观察及综合性能测试

2．6．1 材料的X射线物相分析

2．6．2 材料的相对密度及开口气孔率的测定

2．6．3 材料的维氏硬度测定

2．6．4 材料断裂韧性的测定

2．6．5 材料显微组织观察

第3章 TiC-TiB2-Ni复合材料的性能

3．1 烧结温度对TiC-TiB2-Ni复合材料的影响

3．1．1 不同温度下TiC-TiB2-Ni复合材料的X射线物相分析

3．1．2 烧结温度对TiC-TiB2-Ni复合材料密度的影响

3．1．3 烧结温度对TiC-TiB2-Ni复合材料显微组织的影响

3．1．4 TiC-TiB2-Ni复合材料TEM显微组织观察与分析

3．1．5 烧结温度对TiC-TiB2-Ni复合材料硬度的影晌

3．1．6 烧结温度对TiC-TiB2-Ni复合材料断裂韧性的影响及增韧机理

3．1．7 TiC-TiB2-Ni复合材料断口形貌分析

3．2 保温时间对TiC-TiB2-Ni复合材料的影响

3．2．1 不同保温时间的TiC-TiB2-Ni复合材料的X射线物相分析

3．2．2 保温时间对TiC-TiB2-Ni复合材料密度的影响

3．2．3 保温时间对TiC-TiB2-Ni复合材料显微组织的影响

3．2．4 保温时间对TiC-TiB2-Ni复合材料硬度的影响

3．2．5 保温时间对TiC-TiB2-Ni复合材料断裂韧性的影响及增韧机理

3．2．6 TiC-TiB2-Ni复合材料的断口形貌分析

第4章 TiC-TiB2-Cu陶瓷复合材料的性能

4．1 TiC-TiB2-Cu复合材料的X射线物相分析

4．2 TiC-TiB2-Cu复合材料的致密化分析

4．3 TiC-TiB2-Cu复合材料的显微组织分析

4．4 烧结温度对TiC-TiB2-Cu复合材料硬度的影响

4．5 烧结温度对TiC-TiB2-Cu复合材料断裂韧性的影响及断裂机理分析

4．6 TiC-TiB2-Cu复合材料断口形貌分析

第5章 TiC-TiB2-Ti复合材料的性能

5．1 TiC-TiB2-Ti复合材料的X射线物相分析

5．2 TiC-TiB2-Ti复合材料的致密化分析

5．3 TiC-TiB2-Ti复合材料的显微组织分析

5．4 烧结温度对TiC-TiB2-Ti复合材料硬度的影响

5．5 烧结温度对TiC-TiB2-Ti复合材料断裂韧性的影响

5．6 TiC-TiB2-Ti复合材料断口形貌分析

第6章 结论

参考文献

致谢

研究生期间发表的论文和专利