TiB2粉體與TiB2-SiC復(fù)合材料制備及性能.pdf

1、二硼化鈦是新興的工程陶瓷材料之一，具有硬度高、彈性模量高、熔點(diǎn)高、耐磨性好以及導(dǎo)熱、導(dǎo)電性優(yōu)良等特性，可被廣泛應(yīng)用于切割刀具、防彈裝甲、晶粒細(xì)化劑、耐高溫涂層、電池電極以及電解槽等領(lǐng)域。
　　傳統(tǒng)的碳熱還原法合成二硼化鈦粉體多以硼酸或碳化硼作為硼源。硼酸受熱易揮發(fā)，不僅會(huì)造成配方失準(zhǔn)，最終產(chǎn)物會(huì)有其他相生成，而且會(huì)對(duì)爐膛造成酸蝕。而碳化硼價(jià)格昂貴，高溫合成的粉體粒徑分布廣泛，需要進(jìn)一步細(xì)化處理。能否降低產(chǎn)物提純和研磨帶來的額外成本

2、是TiB2粉體工業(yè)化生產(chǎn)面臨的難題。
　　二硼化鈦?zhàn)詳U(kuò)散系數(shù)低，在常壓下難以實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)。碳化硅具有優(yōu)良的力學(xué)和熱學(xué)性能，其無壓燒結(jié)技術(shù)日趨成熟。在TiB2基體中引入SiC作為第二相并添加合適的燒結(jié)助劑，可以在兼具二者優(yōu)異性能的同時(shí)，減小二硼化鈦燒結(jié)的擴(kuò)散阻力，獲得較為致密的TiB2-SiC復(fù)合材料。
　　本文以TiO2、HBO2、B4C和炭黑為原料，對(duì)傳統(tǒng)的碳熱還原工藝進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)的研究了硼源含量、煅燒制度和碳源種類對(duì)

3、TiO2-HBO2-C體系與TiO2-B4C-C體系合成TiB2粉體物相組成和顯微結(jié)構(gòu)的影響。研究結(jié)果說明:當(dāng)煅燒制度為1700℃保溫30min時(shí)，30.4wt％TiO2+46.7wt％HBO2+22.9wt％炭黑，即偏硼酸在化學(xué)計(jì)量配比上過量40wt％的配方能制備出結(jié)晶度良好、純度較高的典型六方TiB2粉體，晶粒平均尺寸約10μm。當(dāng)煅燒制度為1600℃保溫30min時(shí)，61.0wt％TiO2+25.3wt％B4C+13.7wt％炭黑

4、，即碳化硼在化學(xué)計(jì)量配比上過量20wt％的配方能備出粒徑均一、純度較高的TiB2粉體，晶粒尺寸約為0.5-1μm。利用以上兩種體系制備TiB2粉體時(shí)，相對(duì)于石墨和活性炭，以炭黑為碳源合成的TiB2粉體晶粒發(fā)育完好，結(jié)晶度更高。
　　以二硼化鈦和碳化硅粉體為原料，選取酚醛樹脂(PF)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為添加劑，通過無壓燒結(jié)技術(shù)制備了TiB2-SiC復(fù)合材料。確定了無壓燒結(jié)復(fù)相陶瓷的最佳原料組成，探索了燒結(jié)制度對(duì)燒結(jié)體力學(xué)性能

5、和熱學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明:無壓燒結(jié)TiB2-SiC復(fù)合材料的最佳原料組成為75wt％TiB2+25wt％SiC+15wt％PF+0.2wt％PVP。當(dāng)燒結(jié)溫度為2100℃，保溫時(shí)間為60min時(shí)，復(fù)相陶瓷的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性均能達(dá)到峰值，分別為209.5MPa和4.6MPa·m1/2。此時(shí)陶瓷的硬度為29.3GPa，熱導(dǎo)率可達(dá)32.3W/(m·K)。當(dāng)燒結(jié)溫度低于2100℃，保溫時(shí)間少于60min時(shí)，由于溫度提供的燒結(jié)擴(kuò)散能難以完

6、全克服晶界阻力，熱傳導(dǎo)時(shí)間不夠?qū)е聹囟葓?chǎng)不均，陶瓷的致密化程度不夠充分，從而相應(yīng)的力學(xué)和熱學(xué)性能不甚理想。當(dāng)燒結(jié)溫度高于2100℃，保溫時(shí)間超過60min時(shí)，會(huì)發(fā)生晶粒的異常長大甚至過燒，進(jìn)而使得陶瓷的性能有所下降。
　　在優(yōu)選的配方和煅燒制度的基礎(chǔ)上，研究了不同石墨烯添加量對(duì)燒結(jié)體力學(xué)性能和熱學(xué)性能的影響，并分析了復(fù)相陶瓷的增韌機(jī)理與導(dǎo)熱機(jī)制。當(dāng)石墨烯含量從0增加至5wt％時(shí)，復(fù)相陶瓷彎曲強(qiáng)度和熱導(dǎo)率在石墨烯含量為2wt％達(dá)到峰

7、值點(diǎn)，分別為301.3MPa和35.4W/(m·K)。斷裂韌性在石墨烯含量為3wt％時(shí)達(dá)到峰值點(diǎn)，為5.7MPa.m1/2。通過對(duì)添加不同含量石墨烯制備的復(fù)相陶瓷斷面進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析可知:在復(fù)相陶瓷中添加石墨烯，可以形成層狀撕裂結(jié)構(gòu)，這種起伏結(jié)構(gòu)能使得斷裂過程中層與層之間發(fā)生相互滑動(dòng)從而消耗更多的能量，延緩裂紋擴(kuò)散。當(dāng)石墨烯含量超過3wt％時(shí)，晶粒間的緊湊結(jié)構(gòu)明顯遭受到了彌散石墨烯的破壞，從而造成內(nèi)部缺陷，使得力學(xué)性能有所降低。復(fù)相陶瓷