反应烧结钛酸铝及镍铝-钛酸铝复合材料的研究

摘要

钛酸铝（Al2TiO5，简写为AT）具有熔点高、热膨胀系数小、热导率低、弹性模量低、抗热震好以及抗冲击性强等优良特性，在许多领域已经得到广泛应用。但是，钛酸铝材料存在两大致命弱点：烧结强度低和低温易分解，严重影响了其使用效果。而Ni-Al金属间化合物具有强度高，耐高温性好，导电、导热率高等优异性能，是一种介于高温合金和陶瓷之间的高温结构材料。基于两者优异的性能，将两者复合有望得到兼具二者优良性能、取长补短的新型复合材料。
　　本文采用反应烧结法合成钛酸铝，并利用合成的钛酸铝粉料与原子比为1:1的Ni、Al粉末混合，采用反应烧结法制备镍铝-钛酸铝复合材料，并对该复合材料的物相组成、显微形貌、形成机理等进行探索研究，同时研究了烧结温度、气氛等对钛酸铝物相组成、组织形貌、合成率等的影响。研究结果表明：
　　(1)在不添加任何添加剂的情况下，采用反应烧结技术制备钛酸铝陶瓷材料，反应烧结温度控制在1400℃、1500℃、1600℃。衍射分析表明试样主晶相为Al2TiO5，随着温度的升高，钛酸铝合成率分别为78.86％、89.86%、96.61%；形貌观察发现，Al2TiO5微观组织为不规则颗粒状，随着温度升高，颗粒尺寸由5~10μm增加到10～20μm，颗粒尺寸显著增大，趋向均匀，有利于提高合成钛酸铝的强度。在750℃、800℃、850℃温度下二次烧结钛酸铝的分解率分别为21.53%、26.05%、29.44%，这说明随着温度的升高钛酸铝的分解率升高。另外，相同温度下，真空状态下烧结会促进钛酸铝的分解。
　　(2)通过对镍铝-钛酸铝复合材料体系发生的主要反应的热力学计算，得到热力学上反应的发生顺序，结合实际发现反应受动力学的影响比较大。Al与钛酸铝的反应以及Ni、Al与钛酸铝反应中随着Al加入量的增加钛酸铝的分解率增大。反应的过程是由表及里，逐层进行侵蚀的，最终得到的氧化铝分为薄壳状和细碎颗粒状两种形态；随着镍铝加入量的增加和烧结温度的提高，镍铝-钛酸铝复合材料的宏观强度增大，钛酸铝的分解程度加剧，所得复合材料的微观颗粒结合度变好，但是镍铝的加入量不能超过50%，否则容易发生热爆反应。通过显微形貌观察可以看出，分解的钛酸铝表面被大量厚度及长度均处于亚微米级别、针叶状的氧化铝包覆，同时比表面积增大。Al的主要存在形式为氧化铝，在Al含量充足的情况下，随着烧结温度的升高，逐渐出现NiAl、Ni3Al等金属间化合物相；在Al不充足的情况下，Ni主要以单质的形式存在。通过了解前人对钛酸铝原始晶胞的研究以及本课题所涉及的相关实验结果的分析，提出了镍铝-钛酸铝复合材料反应体系中钛酸铝的分解模型。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

Contents

1 绪论

1.1 钛酸铝材料简介、研究现状及其发展趋势

1.2 钛酸铝的结构与性能

1.3 钛酸铝的合成方法及烧结机理

1.4 Ni-Al金属间化合物

1.5 复合材料的应用

1.6 研究目的及意义

2 实验条件及方法

2.1 实验原料

2.2 实验设备

2.3 实验流程

2.4 实验方案

2.5 分析检测及性能表征

3 反应烧结钛酸铝及其中温分解的研究

3.1 烧结温度对钛酸铝合成率的影响

3.2 不同温度对钛酸铝分解的影响

3.3 气氛对钛酸铝分解的影响

3.4 本章小结

4 镍铝-钛酸铝复合材料的研究

4.1 制备过程涉及的反应及其热力学计算

4.2 富铝的复合材料的研究

4.3 不同配比对镍铝-钛酸铝复合材料影响的研究

4.4 不同烧结温度对镍铝-钛酸铝复合材料影响的研究

4.5 本章小结

5 结论

致谢

参考文献