共沉淀法原位合成TiB/BC陶瓷复合材料的研究

摘要

碳化硼陶瓷因其具有超高的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等特性，因而在机械、化学、冶金、军工等领域具有广泛的应用前景。但是碳化硼陶瓷很难通过烧结致密化。目前B4C的烧结致密化主要通过热压过程来实现，这就大大提高了制造成本。另外，由于其断裂韧性较低(＜2.2MPa·m1/2)，耐冲击性差，从而限制了它的应用范围。 本实验在无压烧结条件下，采用共沉淀、原位生成技术，以TiCl4溶液和B4C粉末为主要原料制备了TiB2/B4C陶瓷复合材料。研究了TiO2/B4C复合粉体的合成机理和原料配比、烧结温度对TiB2/B4C陶瓷复合材料的烧结性能、显微组织和力学性能的影响。通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等分析手段，分析了TiB2/B4C陶瓷复合材料的物相组成、晶粒大小和增强、增韧的机制。 通过TEM分析结果表明：当pH值为5；氨水的滴定速度为2ml/min条件下，Ti(OH)4包覆B4C效果良好。 通过XRD分析及不同烧结温度下陶瓷复合材料相对密度的测试表明：最佳的预烧温度为1500℃×1h，并且在该工艺条件下材料只有TiB2和B4C两种物相；最佳的成分配比为wt％TiO2：B4C为40：60；最大相对密度为98.5％T.D。 在最佳成分配比下，实验结果表明：随着烧结温度的升高原位合成工艺制备的TiB2/B4C陶瓷复合材料的密度、硬度、抗弯强度均为先升高后降低，材料的最佳烧结工艺为2050℃×1h。在最佳烧结工艺下，TiB2/B4C陶瓷复合材料的密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性达到最佳值分别为3.174g/cm3、31.5GPa、381MPa和5.1MPa·m1/2。 通过对TiB2/B4C陶瓷复合材料显微组织、断口形貌、TEM形貌及材料力学性能的综合分析，表明B4C和TiB2颗粒之间由于热膨胀系数不匹配产生的残余应力可引起的裂纹偏转、晶粒拔出和晶间纳米TiB2颗粒是TiB2/B4C陶瓷复合材料的主要增强、增韧机理，这些因素使得TiB2/B4C陶瓷复合材料的抗弯强度及断裂韧性比单一B44C陶瓷有了较大的提高。

目录

文摘

英文文摘

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第一章前言

1.1先进结构陶瓷材料概述

1.2碳化硼陶瓷综述

1.2.1碳化硼陶瓷的晶体结构

1.2.2碳化硼陶瓷的基本特征

1.2.3碳化硼粉末的合成

1.2.4碳化硼陶瓷的一般制备方法

1.2.5碳化硼的韧化

1.2.6碳化硼陶瓷的应用

1.3粉体的制备与包覆

1.3.1纳米粉制备方法

1.3.2包覆型陶瓷粉体的性能

1.3.3包覆型陶瓷粉体的制备方法

1.4本论文的研究内容以及意义

第二章实验过程

2.1实验目的

2.2实验原料

2.3实验设备

2.4实验过程

2.4.1复合粉体的制备

2.4.2混料

2.4.3成形

2.4.4 B4C陶瓷复合材料的烧结过程

2.5材料性能的测试

2.5.1 B4C陶瓷复合材料的X射线物相分析

2.5.2 B4C陶瓷复合材料密度和气孔率的测定

2.5.3 B4C陶瓷复合材料硬度的测定

2.5.4 B4C陶瓷复合材料样品抗弯强度的测定

2.5.5 B4C陶瓷复合材料断裂韧性的测量

2.5.6 B4C陶瓷复合材料显微组织的观测

第三章实验结果与分析

3.1粉体包覆效果的分析

3.1.1非均匀成核机理

3.1.2 pH值对B4C粒子包覆效果的影响

3.1.3氨水滴定速度对B4C粒子包覆效果的影响

3.2反应体系热力学分析及烧结工艺的确定

3.2.1反应热力学分析

3.2.2预烧结温度的确定

3.2.3最佳配方及最终烧结温度的确定

3.3 TiB2/B4C陶瓷复合材料的显微组织

3.3.1烧结温度对TiB2/B4C陶瓷复合材料显微组织的影响

3.4 TiB2/B4C复合陶瓷材料的力学性能

3.4.1烧结温度对TiB2/B4C陶瓷复合材料维氏硬度的影响

3.4.2烧结温度对TiB2/B4C陶瓷复合材料抗弯强度的影响

3.4.3烧结温度对TiB2/B4C陶瓷复合材料断裂韧性的影响

3.4.4 TiB2/B4C陶瓷复合材料的增韧机制

第四章结论

参考文献

致谢