Ti-C-N2体系自蔓延高温合成Ti(C,N)的反应机理及电子结构研究

摘要

本文采用自蔓延高温合成工艺，研究了Ti-C-N2体系合成过程的反应机理和Ti/C比、压坯相对密度以及稀释剂含量对合成产物相组成和微观结构的影响，其次又通过第一性原理的计算方法研究了不同x值Ti(C1-xNx)材料的力学性能和电子结构的变化规律。
　　(1)通过对Ti-C-N2体系的自蔓延高温合成反应过程的观察，发现试样被激光引燃后燃烧波迅速蔓延至底部，期间伴随着剧烈发光发热现象。试样烧结完后比较松脆，从断口可以看到试样内部有较多孔隙。
　　(2)研究表明，工艺参数对Ti(C1-xNx)材料的合成具有重要影响。随着Ti/C比的减小，产物Ti(C1-xNx)中碳含量增加，氮含量相应减少。Ti/C比过小会导致过多的游离碳，而Ti/C比过大则会使产物产生微观裂纹。试样的压坯相对密度过小，会使试样燃烧过程中产生飞崩、炸裂现象，压坯相对密度太大，则会阻碍反应的氮化程度。在反应原料中加入适量的稀释剂TiN，有利于增大产物的氮化程度。Ti/C比在O.3mol～O.7mol之间，压坯相对密度为50％，添加20％质量分数的稀释剂TiN制备的Ti(C1-xNx)材料性能较好。
　　(3)通过燃烧波前沿淬熄法深入地研究了Ti-C-N2体系的微观反应机制，反应可划分为如下几个阶段:初始阶段试样被点燃后，体系放出的热量使得Ti粉熔化，熔融的钛液包裹在C颗粒表面，形成含碳的钛固溶体;反应中间阶段，N2通过扩散到达固溶体表面和内部，与钛发生反应生成TiN0.26等非平衡相;反应结束阶段，最终生成的中间相与含碳的钛固溶体反应生成Ti(C1-xNx)颗粒。
　　(4)通过第一性原理的方法对不同x值Ti(C1-xNx)材料的力学性能以及电子结构等进行了研究计算，结果表明:随x值增大Ti(C1-xNx)的稳定性越来越好;在Ti(C1-xNx)当中，随着x值增大(0＜x＜1)，Ti(C1-xNx)晶体的体积模量B、剪切模量G、杨氏模量E在降低;且五相均为脆性相，TiC0.5N0.5的塑性最好;由态密度分析可知Ti(C1-xNx)呈金属性，均导电，且Ti(d)轨道价电子与C(p)、N(p)轨道价电子发生杂化作用，形成了共价键。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 自蔓延高温合成的研究现状

1．1．1 自蔓延高温合成的概念及特点

1．1．2 自蔓延高温合成技术的研究进展及发展现状

1．1．3 自蔓延高温合成技术的发展趋势

1．2 Ti(C,N)基金属陶瓷的研究现状

1．2．1 Ti(C,N)基金属陶瓷的性能及应用

1．2．2 Ti(C,N)粉末的制备工艺

1．3 第一性原理计算的研究现状

1．3．1 第一性原理的相关理论

1．3．2 第一性原理的计算软件

1．4 本课题研究意义、目的以及内容

1．4．1 课题研究的意义和目的

1．4．2 课题主要研究内容

2．实验过程及方法

2．1 实验材料

2．2 实验研究方法及技术路线

2．3 实验设备及方法

2．3．1 实验设备

2．3．2 实验方法

2．3．3 淬熄实验

2．4 样品表征

2．4．1 X射线衍射分析

2．4．2 扫描电镜和能谱分析

2．5 密度的检测

2．6 计算方法与计算路线

3．工艺参数对Ti-C-N2体系自蔓延高温合成产物的影响

3．1 引言

3．2 SHS反应行为

3．2．1 反应现象及反应产物微观形貌

3．3 不同Ti／C原子比对自蔓延高温合成产物的影响

3．3．1 不同Ti／C比的合成产物物相组成分析

3．3．2 不同Ti／C比的合成产物的微观组织形貌分析

3．4 不同压坯相对密度对自蔓延高温合成产物的影响

3．4．1 不同压坯相对密度的合成产物物相组成分析

3．4．2 不同压坯相对密度的合成产物的微观组织形貌分析

3．5 不同稀释剂含量对自蔓延高温合成产物的影响

3．5．1 不同稀释剂含量的合成产物物相组成分析

3．5．2 不同稀释剂含量的合成产物的微观组织形貌分析

3．6 本章小结

4．Ti-C-N2体系自蔓延高温合成Ti(C1-xNx)反应机理的研究

4．1 引言

4．2 自蔓延高温合成产物的物相组成和微观形貌分析

4．2．1 XRD物相分析

4．2．2 合成产物的结构形成过程

4．2．3 合成产物形成过程的微观机制

4．3 本章小结

5．不同x值的Ti(C1-xNx)力学性能及电子结构的研究

5．1 引言

5．2 计算方法

5．3 结果与分析

5．3．1 晶体结构与晶格常数

5．3．2 结合能

5．3．3 力学性能

5．3．4 电子结构

5．4 本章小结

6．结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢