（材料學(xué)專業(yè)論文）熱壓Tilt3gtSiClt2gtTiBlt2gt復(fù)合材料的制備及其性能研究.pdf

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 t i 3 s i c 2 是一種新型的結(jié)構(gòu)陶瓷材料 由于其兼具了金屬和陶瓷材料 的諸多優(yōu)異性能而成為材料研究人員的研究的焦點 然而 在常溫下由 于其硬度低以及較低的抗蠕變強度仍然是其實用化的主要障礙 而通過 添加陶瓷顆粒制備成t i 3 s i c 2 基復(fù)合材料可獲得良好的力學(xué)性能 并同時 保持其密度低等特點 t i b 2 是一類具有許多優(yōu)良性能的陶瓷 如高熔點 高硬度 化學(xué)穩(wěn) 定性好 抗腐蝕性好 更為重要的是 t i b 2 與t i 3 s i c 2 的結(jié)構(gòu)很相似 都 屬六方晶系 而且兩者的熱膨脹系數(shù)很接近 因此 在t i 3 s i c 2 基中引入 一小部分的t i b 2 從而制備t i 3 s i c 2 t i b 2 復(fù)合材料 就可能兼具兩者的優(yōu) 點 本文開展了分別采用外摻法 t i c t i s i a 1 t i b 2 粉 和原位法 t i c t s i b 4 c a i 粉 兩種不同方法 結(jié)合熱壓工藝制備t i 3 s i c 2 f r i b 2 塊體復(fù)合材料的研究 在1 4 0 0 0 c 的燒結(jié)溫度下成功地制備出 f i b 2 體積 分數(shù)分別為5 1 0 2 0 致密塊體t i 3 s i c 2 t i b 2 材料 應(yīng)用x 一射線 衍射分析和掃描電鏡 分析研究了矯摻法 t i c t i s i a i 仃i b 2 粉 和原位 法 t i c t i s i b 4 c a i 粉 制備的t i 3 s i c 2 1 0 v 0 1 t i b 2 復(fù)合材料從6 0 0 到 1 4 0 0 c 范圍內(nèi)整個制各過程的相形成規(guī)律 結(jié)果表明 在外摻法中 試 樣只有主晶相為t i 3 s i c 2 與t i b 2 兩相 衍射圖譜中沒有其他雜質(zhì)相的存在 在9 0 0 c 以前 主要形成h 5 s i 3 中間相 在1 0 0 0 時 開始有少量的t i 3 s i c 2 生成 在整個過程中 沒有發(fā)現(xiàn)t i 3 s i c 2 與t i b 2 之間有反應(yīng)發(fā)生 t i b 2 僅與原始粉體物理混合從而推遲了反應(yīng)的進行 在原位法中 當t i b 2 體 積含量低于1 0 v 0 1 時 主晶相為t i 3 s i c 2 與t i b 2 兩相 當t i b 2 體積含量 大于1 0 v 0 1 時 有雜質(zhì)相t i c 生成 在1 0 0 0 以前 反應(yīng)和外摻法中相 似 在1 l o o 時 r n 和b 4 c 開始反應(yīng)生成t i b 2 相 整個過程中b 4 c 不 與其他物質(zhì)反應(yīng) t i a s i c 2 單相材料由層 片狀顆粒組成 板長約為1 0 i j t m 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 隨t i b 2 含量的增加 顆粒不斷的細化 可以認為t i b 2 晶粒呈等軸狀生長 平均粒徑為5 r t r n t i b 2 在基體材料中分布比較均勻 當t i b 2 體積含量高 于1 0 v 0 1 時 復(fù)合材料中t i b 2 少量晶粒開始團聚 實驗結(jié)果表明在 1 3 0 0 c 至1 4 5 0 能生成t i 3 s i c 2 和t i b 2 兩相的復(fù)合材料 論文還研究t e l 摻法熱壓制備不同t i b 2 體積含量的t 1 3 s i c 2 t i b 2 復(fù)合 材料的物理性能和腐蝕行為 當t i b 2 體積含量為l o v 0 1 時 復(fù)合材料的 硬度 彎曲強度 斷裂韌性都有顯著的提高 經(jīng)熱處理后 t i 3 s i c 2 10 v 0 1 t i b 2 復(fù)合材料的彎曲強度由3 6 8 m p a 提高至4 8 5 m p a 提 高幅度達3 2 韌性由4 9 3m p a m 眈提高至5 5 9 m p a m 2 增幅達13 硬度最大為8 2 g p a 同時 t i 3 s i c 2 t i 3 s i c 2 5 v 0 1 t i b 2 t i a s i c 2 1 0 v 0 1 t i b 2 t i 3 s i c 2 2 0 v o l t 遷1 2 復(fù)合材料在室溫下的電導(dǎo)率分別 為3 8 6 x 1 0 6 s m 4 4 x 1 0 6 s m 一 3 7 6 1 0 6 s m 3 7 9 1 0 6 s m 一 導(dǎo)電與單 相材料相當 具有典型的金屬導(dǎo)體特征 而t i 3 s i c 礦i t b 2 復(fù)合材料在稀硝 酸中 有著比t i 3 s i c 2 單相材料更優(yōu)異的抗腐蝕性能 關(guān)鍵詞 碳化硅鈦 二硼化碳 熱壓 復(fù)合材料 外摻法 原位合成 性 能 腐蝕 i i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h el a m i n a t e dt e r n a r yc a r b i d et i 3 s i c 2 w h i c hi san e wk i n do fs t m c t u r a l c e r a m i c sm a t e r i a l b e c o m e st h ef o c u so fm a t e r i a lr e s e a r c h e r sa t t r i b u t i n gt oi t s p e r f e c tc o m b i n a t i o no fb o t hm e r i t so fm e t a l sa n dc e r a m i c s h o w e v e r s o m e w e a k n e s s e s s u c ha sl o wh a r d n e s sa n dl o wc r e e ps t r e n g t h l i m i tt h ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o no f t i s s i c 2a sah i g h t e m p e r a t u r es t r u c t u r a lm a t e r i a l o w i n gt ot h eh i g hh a r d n e s s h i g hm o d u l u s e x c e l l e n tc h e m i c a ls t a b i l i t y a n da p p r o x i m a t et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t t i b 2h e r e i ni sc h o s e nt o p r o d u c et i s s i c z r l i b 2c o m p o s i t e si no r d e rt oi n c r e a s et h eh a r d n e s s a n d s t r e n g t h o f t i s s i c 2 i nt h i ss t u d y f u l l yd e n s et i s s i c 2 t i b 2c o m p o s i t e sw e r es y n t h e s i z e db yt h e a d d i t i v e m i x m e t h o d h o t p r e s s i n g n c t i s i a 1 t i b 2 p o w d e r s a n d i n s i t u h o t p r e s s i n g t i c t i s i b 4 c a 1p o w d e r s s i n t e r e da t1 4 0 0 c i nt h ea d d i t i v em i x m e t h o d i tw a sw o r t hn o t i n gt h a tt h e r ew a sn oo t h e rp h a s e sc o n t a i n e di n e i t h e rp u r et 3 s i c 2o ri t sc o m p o s i t e s i n v e s t i g a t e db yx r a yd i f f r a c t i o n x r d o fs a m p l e ss i n t e r e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h ep h a s e sf o r m a t i o nm e c h a n i s m o ft h ec o m p o s i t e sw a ss t u d i e d w h e nt h es m t e r i n gt e m p e r a t u r ew a sb e l o w 9 0 0 c t h em a i np h a s ew a st i s s i 3 s i m e r e da t1 0 0 0 m a i np e a k so ft i s s i c 2 w e r ed e t e c t a b l ed e s p i t et h e i rw e a ki n t e n s i t y m e a n w h i l e t h e r ew a sn oe v i d e n c e t l l a ts h o w e dt h er e a c t i o nb e t w e e nt i 3 s i c 2a n dt i b 2 t i b 2o n l yd i l u t e dt h e i n i t i a lp o w d e r sa n dd e l a y e dt i s s i c 2f o r m a t i o np r o c e s s i nt h ei n s i t us y n t h e s i s w h e nt h et i b 2c o n t e n tw a sl e s st h a ni o v 0 1 t h em a i np h a s e sw e r et i 3 s i c 2a n d t i b 2 w h e nt h et i b 2c o n t e n tw a sm o r et h a n1 0v o l t i ci m p u r i t yw a s c o n t a i n e di nt h ec o m p o s i t e s a tl1 0 0 t ir e a c t sw i t hb 4 ct op r o d u c et i b 2 t h eg r a i n so f t i 3 s i c 2a r ep l a t e 1 i k ea n dh a v eas i z eo f10 p mi ne l o n g a t e dd i m e n s i o n i nt h ec a s eo f t i b 2 t h em i c r o s t r u c t u r eh a sr e m a i n e dr e l a t i v e l yf i n e g r a i n e d w i t ha g r a i ns i z e o fa b o u t5ma so p p o s e dt ot h ef e wh u n d r e dm i c r o n so ft h e c o a r s e g r a i n e d t h i sc o n f i r m st h ea s s u m p t i o nt h a tt i b 2i n h i b i t st h eg r a i ng r o w t ho f f 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 t i 3 s i c 2 w l i e nt h et i b 2c o n t e n tw i l l sm o r et h a n1 0 v 0 1 t i b 2g r a i n sv q e r e a g g l o m e r a t e da n da g g l o m e r a t e sw e r ea tm o s t1 4 m l a r g e t h ea b o v er e s u l t s s h o wt h a t t i 3 s i c 2 t i b 2c o m p o s i t e sc a nb es y n t h e s i z e db e t w e e n13 0 0 t o 1 4 5 0 t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dr o o mt e m p e r a t u r ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h e t i 3 s i c 2 t i b 2s a m p l e sb yt h ea d d i t i v em i x m e t h o dh o tp r e s s i n gw e r ea l s o s t u d i e di nt h ep a p e r r e s u l t sr e v e a l e dt h a tt i 3 s i c 2 t i b 2p o s s e s s e de x c e l l e n t m e c h a n i c a l e l e c t r i c a la n dt h e r m a lp r o p e r t i e s w h e nt h et i b 2c o n t e n tw a s 10 v 0 1 t h eh a r d n e s s c o m p r e s s i v es t r e n g t h f l e x u r a is t r e n g t ha n df r a c t u r e t o u g h n e s sw e r er e m a r k a b l yi m p r o v e d a l t e rh e a tt r e a t m e n t t h ef l e x u r a l s 仃e n g t ho ft i 3 s i c 2 1 0 v 0 1 t i b 2c o m p o s i t ei n c r e a s e df r o m3 6 7 5 m p at o 4 8 5 1 m p a w h i c hw a sr a i s e d b y 3 2 t h eh a r d n e s si n c r e a s e dt o 8 2 g p a m e a n w h i l e t i 3 s i c 棚b 2i sag o o dt h e r m a la n de l e c t r i c a lc o n d u c t o r t h ce l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y o f t i 3 s i c 2 t i 3 s i c 2 5 v 0 1 t i b 2 t i 3 s i c f f l0 v 0 1 t i b 2 a n d t h s i c 2 j 2 0 v 0 1 t i b 2c o m p o s r e s a tr o o m t e m p e r a t u r e w e r e3 8 6 1 0 6 s m 4 4 x 1 0 6 s m 3 7 6 1 0 6 s n r l a n d 3 7 9 1 0 6 s m r e s p e c t i v e l y i n d i c a t i n g t h a tt i 3 s i c 2 t i b 2c o m p o s i t ei sa m e t a l l i cc o n d u c t o r 1 1 1 ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft i 3 s i c 2 t i b 2i nd i l u t e 脒0 3 w a sm o r ee x c e l l e n tt h a nt i 3 s i c 2 k e yw o r d s t i 3 s i c 2 t i b 2 h o tp r e s s i n g c o m p o s i t e s a d d i t i v em i x m e t h o d i n s i t us y n t h e s i s p r o p e r t i e s c o r r o s i o nb e h a v i o r 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 引言 第一章緒論 新型層狀陶瓷t i 3 s i c 2 結(jié)合了金屬和陶瓷的許多優(yōu)良性能 l 1 熔點 達到3 2 0 0 2 理論密度為4 5 2 9 c m 3 在常溫下有很好的導(dǎo)熱性能和導(dǎo) 電性能 相對較低的維氏顯微硬度和較高的彈性模量 在常溫下有延展 性 可以像金屬一樣進行加工 在高溫下具有塑性 抗熱震 同時 它 又具有陶瓷材料的性能 有高的屈服強度 高熔點 高熱穩(wěn)定性和良好 的抗氧化性能 在高溫下能保持高強度 表1 1 中列出t i 3 s i c 2 的各項性 能參數(shù) 眾多的優(yōu)良性能使得t i 3 s i c 2 及其復(fù)合材料可望在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷 電極材料 可加工陶瓷材料 自潤滑材料等領(lǐng)域得到應(yīng)用 近來受到了 材料界的重視 表1 1t i a s i c 2 材料的性能特點 t a b l e l 1t h ep r o p e r t i e so f t i 3 s i c 2 性能名稱單位ti3sic2 r e 0 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1 12 1 1 3 1 2 4 1 3 相結(jié)構(gòu)圖 f i g 1 1t h e s t r u c t u r eo f 3 1 1 3 1 2 4 1 3 1 2t i 3 s i c 2 的晶體結(jié)構(gòu) t i 3 s i c 2 的晶體結(jié)構(gòu)最早由j e i t s c h k o 和n o w o t n y0 3 測定 得出其晶體結(jié) 構(gòu)為六方晶系 空間群為p 6 3 m m c 晶格參數(shù)為a 0 3 0 7 r i m b 1 7 6 9 n m 其結(jié)構(gòu)圖見圖1 1 從圖 可知 共棱的t i 6 c 八面體被平行四邊形的s i 原 子層所分隔 k i s i 和b a r s o u m 等 4 1 用電子衍射更準確測定了晶胞中原子的坐 標及鍵長和鍵角等參數(shù) 幣原子與c 原子之間的鍵長與它們的相應(yīng)的共價鍵 鍵長很接近 n 原子與s i 原子之間的距離稍大于t i 的金屬半徑和s i 的共價 半徑之和 而s i 原子之間以及s i 原子與c 原子之間的距離很大 它們之間 顯然不存在強鍵結(jié)合 同時 t i 6 c 八面體發(fā)生明顯的扭曲 其中的c 原子偏 離s i 平面層 并導(dǎo)致t i 與c 之問有不同的鍵長 a m e r 等 9 通過對比t i 3 s i c 2 和t i c o6 7 的拉曼光譜圖發(fā)現(xiàn) t i c o6 7 所有的空位振動峰在化合物t i 3 s i c 2 都有 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 對應(yīng)的峰 只是其相應(yīng)的位置發(fā)生了變化 t i 3 s i c 2 多出了2 個t i c 0 6 7 所沒有 的峰 其一是在1 5 0c m 的尖峰 另一個位于3 4 0 c m 1 的寬峰 前者歸因于 s i 原子層與t i 原子之間的剪滑移 其機理與石墨由于層問的弱結(jié)合相同 石墨層間的剪滑移使其在4 2 c m 4 位置上有 拉曼峰 正因為豇3 s i c 2 與t i 與 s i 平面層之間的弱鍵結(jié)合使其機械性能有各相異性 在常溫條件下平面的滑 移使其有易加工等性能 1 3t i 3 s i c 2 基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀 圖1 2 是啊 s i c 三元系統(tǒng)在1 2 0 0 c 時的等溫截面相圖1 1 0 1o t i 3 s i c 2 分別 與t i s i 2 s i c 或t i s i 2 t i s s i 3 c 或t i c x s i c 處于z 元相區(qū) 而單一的t i 3 s i c 2 相 區(qū)非常窄 這也是制備t i 3 s i c 2 時 最終物相中總會存在這些雜質(zhì)的原因 早在1 9 6 7 年j e i t s c h k o 1 n o w o m y 3 5 以氣態(tài)西h 2 s i 和石墨為原料 在 2 0 0 0 c 的溫度下進行化學(xué)反應(yīng)合成了t i 3 s i c 2 并測定其結(jié)構(gòu) 從此 材料科 技工作者分剮采用不同的原料組成及不同的制 圖1 2t i c s i 材料在1 2 0 0 0 c 的等溫截面相圖 f i g 1 2i s o t h e r m a ls e c t i o na t1 2 0 0 6 co f t h et i c s is y s t e m 備工藝來制備t i 3 s i c 2 及其復(fù)合材料 現(xiàn)階段制備t i 3 s i c 2 及其復(fù)合材料的 方法有化學(xué)氣相沉積 c v d 白蔓延高溫合成 s e l f p r o p a g a t i n gh i g h t e m p e r a t u r es y n t h e s i s s h s 固液相反應(yīng) 機械合金化輔助合成 m a 熱 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 壓i h o tp r e s s i n g h a 熱等靜壓 h o t i s o s t a t i cp r e s s i n g h i p 離 子燒結(jié)工藝 s p s 等 1 3 1 復(fù)合材料的制備技術(shù) 結(jié)構(gòu)陶瓷材料的發(fā)展已由單相材料發(fā)展到復(fù)合材料或多相復(fù)合材 料 材料的性能得到了大幅度的提高使用領(lǐng)域也在不斷擴大 制備陶瓷 基復(fù)合材料的通常工藝是在陶瓷基體中直接d n a 第二相 即在基體粉末 中加入第二相的纖維 晶須或顆粒混合后進行燒結(jié) 其特點是燒結(jié)過程 較簡單 但需預(yù)先合成第二相增韌增強劑 制備復(fù)相陶瓷也可以采取一 步制備復(fù)合粉末 然后進行原位分解燒結(jié)或在基體中引入原位化學(xué)反應(yīng) 在燒結(jié)過程中生成第二相 或直接反應(yīng)燒結(jié)的工藝路線 原位合成技術(shù)已成為制各復(fù)合材料的主要技術(shù) 根據(jù)設(shè)計的原位反 應(yīng) 將反應(yīng)物混合或與某種基體原料混合后通過熱壓工藝制備 組成物 相在熱壓過程中原位生成 通過調(diào)整工藝參數(shù) 也可采取常壓燒結(jié)的工 藝 原位反應(yīng)可以是化學(xué)反應(yīng) 也可以是物理化學(xué)變化過程 其基本原 理是通過化學(xué)反應(yīng)來生成顆粒細小 熱力學(xué)穩(wěn)定的增強體 陶瓷 顆粒 原 位合成具有如下優(yōu)點 燒結(jié)過程中伴隨有物相的分解或生成反應(yīng)的發(fā)生 燒結(jié)過程比較復(fù)雜 但避免了物相的預(yù)先合成步驟 簡化了復(fù)相陶瓷的 制造工藝 降低原材料成本 可以實現(xiàn)特殊顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計和獲得特殊的 材料性能 目前報道的原位臺成技術(shù)主要有 原位熱壓技術(shù) x d t m 技術(shù) c v d 氣相沉積 技術(shù) 反應(yīng)結(jié)合技術(shù)及s h s 技術(shù)等 原位合成制取含 t i 3 s i c 2 復(fù)合材料 t i 3 s i c 2 是在燒結(jié)過程中原位生成的 其特點如下 簡 化了制備工藝 避免了在混料過程中強s i c 2 相與其它相之間的界面污染 t i 3 s i c 2 在高溫生成 界面自由能高 物相間結(jié)合牢固 多相的生成有利 于抑制晶粒的異常長大等 這些都有利于材料性能的提高 1 3 1 1 d 技術(shù) x d a e x o t h e r m i cd i s p e r s i o n 技術(shù) 1 1 是美國m a r t i nm a r i e t t a 實驗室開 發(fā)的一項利用放熱反應(yīng)在金屬或金屬問化合物基體中原位生成分散的金 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 屬間化合物或陶瓷顆粒 或晶須 的復(fù)合技術(shù) 其原理是將生成增強體的兩 種粉末及基體粉末混合 在高于基體熔點而低于增強體的熔點的溫度下 使兩種粉末發(fā)生放熱反應(yīng) 從而在基體中形成亞顯微增強體 由于增強 體的原位合成 避免了增強體和基體之間界面上生成氧化物等雜質(zhì) 對 改善復(fù)合材料性能有利 通過x d 法已經(jīng)成功地制備了t i c a i t i b e a 1 復(fù)合材料 它們具有優(yōu)異的力學(xué)性能 1 3 1 2 v l s 法 該技術(shù)是k o c z a k 等人發(fā)明的顆粒增強m m c s 制備方法 其原理是 將含碳 或含氮 氣體通入高溫金屬 或合金 熔體中 利用氣體分解出的碳 或氮 與熔體中的增強相元素如t i 發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng) 生成熱力學(xué)穩(wěn)定的 增強體顆粒t i c t i n 等 其反應(yīng)原理可表示為 以原位t i c 顆粒為例 其 中m 指金屬基體元素如a l 等 c h 4 薊一 c 2 h 2 曲 t m c 一t i c m 1 1 1 2 為保證上述兩個過程的順利進行 般要求有較高的熔體溫度和盡可能大 的氣一液兩相接觸面積 目前這種方法一般用于制造舢 合金 基復(fù)合材料 1 3 1 2 過渡塑性相工藝制備技術(shù) 過渡塑性相制造工藝 t r a n s i e n tp l a s t i cp h a s ep r o c e s s i n g t p p p 是由 b a r s o u n 等 1 提出來的一種新的原位熱壓技術(shù) 其化學(xué)反應(yīng)在較低的溫度 下進行 生成一種過渡相 這種過渡相具有一定的塑性 t r a n s i e n tp l a s t i c p h a s e t p p 可以采用塑性體成形工藝進行成形 然后在較高溫度下 過 渡相 t p p 與反應(yīng)相 r e a c t a n tp h a s e r p 反應(yīng)生成更硬和更耐高溫的陶瓷 基體和增強相 即 i 沖 1 1 p p 一陶瓷基體 增強體 此方法具有可低溫?zé)?結(jié) 無燒結(jié)助劑污染 可以制備不同組成結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品等優(yōu)點 b a r s o u n 1 4 用t i 和b 4 c 為原料 利用低溫 7 5 0 8 0 0 1 下生成的低化學(xué)計量的t i c 的塑性體進行成形 然后在1 6 0 0 處理 成功地制備了t i c 一1 t b 2 復(fù)合 材料 1 3 1 3s h s 技術(shù) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 s h s 法制備復(fù)合材料具有生產(chǎn)過程簡單 反應(yīng)迅速 反應(yīng)溫度高等 特點 但也有反應(yīng)難以控制 產(chǎn)品孔隙率高 材料的尺寸和形貌很難控制 等不利因素 近年來 將s h s 技術(shù)與其它致密化技術(shù)結(jié)合起來 一步完 成材料的合成與結(jié)構(gòu)致密化麗獲取構(gòu)件成為研究的熱點 一種方法足在 燃燒合成的同時按照一定的方向旌加壓力使之致密化 稱為燃燒合成動 態(tài)壓實法 c o m b u s t i o ns y n t h e s i sd c 或s h sd c 加壓方式可以是機械加 壓 也可以是水壓 s h i n g u i l4 j 等設(shè)計了s h s p h i p 法 即將s h s 與p h i p 結(jié)合起來 完成材料的致密化 張衛(wèi)方等1 1 4 1 5 1 用s h s p h i p 法制備了致密 的t i c a 1 2 0 3 t i c a h 0 3 一f e 金屬陶瓷復(fù)合材料 傅正義等i l6 設(shè)計了 s h s q p 法 并用此法制備了t i c n i 金屬陶瓷復(fù)合材料 s h s 熔鑄法是由武漢工業(yè)大學(xué)國家重點實驗室提出的制備復(fù)合材料 的新方法 1 6 1 該方法結(jié)合了s h s 法和熔鑄法的優(yōu)點 通過工藝參數(shù)的調(diào) 整控制金屬的相組成及陶瓷相的形貌 同時由于第二相增強顆粒系原位 合成 因而 界面沒有污染 第二相分布均勻 梅炳初等i 1 7 采用該法制 各了t i c n i 3 燦基復(fù)合材料 1 9 8 9 年p a m p u c h 等 1 8 塒 以t i s i 和碳黑作為反應(yīng)劑 反應(yīng)方程式為 3 t i s i 2 c t i 3 s i c z 1 2 以固態(tài)的t i s i c 粉末在m 氣中 于1 0 5 0 1 2 0 0 c 燃燒合成出r s i c 2 陶瓷試塊 粉末經(jīng)球磨 混合 干燥 冷壓成形 然后置于石英反應(yīng)管 內(nèi)加熱 點火幾秒鐘后溫度趨于定值 試驗結(jié)果表明 成分中的r n s i c 的摩爾比 點火溫度對t i 3 s i c 2 的合成有決定性的影響 由于這種方法 的合成溫度難以控制 反應(yīng)的程度亦難以控制 制得的陶瓷試塊的主晶 相為t i 3 s i c 2 同時也有少量的t i c 或s i c 或t i s i c 系統(tǒng)中其他一些 亞化學(xué)計量化合物如t i c t i s i 存在 材料的相對密度不超過理論密度 的9 5 h v m 在6 0 0 7 6 0 k g m m 2 仍屬于柔性陶瓷 可進行切削加工 1 3 2t i 3 s i c z 基復(fù)合材料 1 3 2 1t h s i c d t i c 復(fù)合材搴 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 最早 p a r n p u c h 等 2 2 1 人測定了第二相t i c 占1 0 2 0 的t i 3 s i c 2 陶瓷 的力學(xué)性能 相應(yīng)的彈性模量和剪切模量分別為3 2 6 g p a 和1 3 5 g p a 在測 定復(fù)相陶瓷t i 3 s i c j t i c 的顯微硬度時 發(fā)現(xiàn)維氏顯微硬度隨t i c 的含量變 化而變化 他們 1 9 1 用熱壓方法合成了t i c 含量為1 5 v o i 的t i 3 s i c 2 t i c 復(fù) 相陶瓷 其抗壓強度和三點抗彎強度分別為11 2 0 士2 7 0 和3 5 0 6 3 m p a 近年來 b a r s o u m t 2 3 等人分別以t s i c c t i c 粉和t i h 2 s i c c 粉為原 料 利用熱等靜壓工藝合成t i 3 s i c 2 t i c 復(fù)合材料 顯微結(jié)果分析表明 t i c 在復(fù)合材料中開始團聚 晶粒比較大 同時t i c 的加入抑制了t i 3 s i c 2 晶 粒的生長 他們以t i s i c c t i c 粉為原料1 5 0 0 下燒結(jié)的復(fù)合材料其彎曲 強度最高可達到4 2 0 m p a 斷裂韌性為5 5 士0 5 m p a m 同時表現(xiàn)出良好 的抗熱震和抗損傷性能 1 3 2 2t i a s i c 2 s i c 復(fù)合材料 最初 r a d h a k r i s h n a n t 2 4 等人以t i c 和s i 為原料 采用熱壓工藝合成 了t i 3 s i c j s i c 復(fù)合材料 他們利用置換反應(yīng)合成t i 3 s i c j s i c 復(fù)合材料的 斷裂韌性和硬度比t i 3 s i c 2 材料都有大幅度的增強 t i 3 s i c j s i c 復(fù)合材料 斷裂韌性和硬度分別為9 1 g p a 和9 g p a b a r s o u m 2 3 等人分別以t i s i c c 粉和t i h 2 s i c c 粉為原料 利用熱 等靜壓工藝合成t i 3 s i c 2 s i c 復(fù)合材料 研究表明 s i c 的加入能有效的 增強復(fù)合材料的硬度 硬度值達到16 土2 g p a 而由于s i c 與t i 3 s i c 2 兩者的 熱膨脹系數(shù)的不匹配 該復(fù)合材料強度比純的t i 3 s i c 2 有所下降 同時 復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的抗損傷 抗熱振 他們 i t l 還對t i 3 s i c 2 s i c 復(fù)合材 料在7 5 0 1 2 0 0 溫度區(qū)間內(nèi)的氧化性行為進行了研究 復(fù)合材料中s i c 被氧化生成的s i 0 2 能阻止反應(yīng)的發(fā)生從而提高其抗氧化性能 在國內(nèi) 陳秀華 2 6 等人研究了制備t i 3 s i c 2 s i c 復(fù)合材料的動力學(xué)情 況 針對反應(yīng)體系內(nèi)s i 元素的擴散情況計算了擴散反應(yīng)拋物線常數(shù)和擴 散反應(yīng)系數(shù) 對制備t i 3 s i c 2 s i c 的固相反應(yīng)過程中s i 原子的擴散動力學(xué) 進行了分析和研究 從實驗計算得出的s i 原子的擴散系數(shù)與參考文獻中 的s i 原子的擴散系數(shù)比較接近 說明實驗結(jié)果是比較可靠的 原子的擴 散熱力學(xué)和動力學(xué)結(jié)果為研究利用固相反應(yīng)制備t i 3 s i c js i c 復(fù)合材料控 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 制反應(yīng)條件提供了比較好的理論依據(jù) l i l 2 7 等人利用置換反應(yīng)熱壓合成了t i 3 s i c 2 s i c 復(fù)合材料以增強 t i 3 s i c 2 基體材料的力學(xué)性能和抗氧化性 其相對密度達到9 8 硬度達 到8 7 g p a s i c 在復(fù)合材料中成板狀和斑狀分布 晶粒尺寸為2 岬 彎 曲強度和斷裂韌性分別為5 0 5 m p a 和5 3 m p a m 2 t i 3 s i c j s i c 復(fù)合材料 比單相的t i 3 s i c 2 塊體材料具有更好的高溫抗氧化性 氧化層由外層的 t i 0 2 大顆粒和內(nèi)層的s i 0 2 和t i 0 2 細小顆粒組成 在1 2 0 0 下氧化2 1 小 時其增重僅為7 9 m g c m 2 而t i 3 s i c 2 為3 0 7 9m g c m 2 1 3 2 3t i 3 s i c 2 a h 0 3 復(fù)合材科 l o u 2 8 烽人采用兩種方法制備a 1 2 0 3 t i 3 s i c 2 層狀復(fù)合材料 一是原位 一熱法 即t i 3 s i c 2 是在層狀材料的制備過程中同時被合成的 t i 3 s i c 2 層 由原料粉 t i s i c 和c 在熱壓制備層狀材料過程中同時合成 首先將用作 基體層的a 1 2 0 3 粉 少量m g o 以及用作界面層的原料粉t i 粉 s i c 粉和 活性炭粉 按t i s i c 石墨粉摩爾比3 l 1 混合 分別球磨2 4 h 然后 通過軋膜把這兩種粉分別軋制成厚度約為2 0 0 r n 的m 2 0 3 坯片和t i 3 s i c 2 原料坯片 將a 1 2 0 3 坯片和t i 3 s i c 2 原料坯片間隔排布在石墨模具中 經(jīng) 排膠后在氬氣氣氛中1 6 0 0 c 下熱壓燒結(jié)4 h 壓力為2 0 m p a 一是分步法 即制備過程分兩步進行 首先制備出t i 3 s i c 2 高純粉 再采用熱壓法進行 燒結(jié)制備層狀材料 兩種方法制備的越2 0 3 t i 3 s i c 2 層狀復(fù)合材料強度保 持在4 5 0 m p a 以上 斷裂功達到1 2 0 0 1 5 6 0 j m 2 相對a 1 2 0 3 塊體材料提 高十余倍 另外 兩種方法制備的a 2 0 3 t i 3 s i c 2 層狀復(fù)合材料顯微結(jié)構(gòu) 存在明顯差異 這也導(dǎo)致了力學(xué)性能上的差異 前者強度較高韌性較低 后者強度較低而韌性較高 最近 w a n g1 2 9 等人以t i t i c s i 及a 1 2 0 3 粉為原料 采用放電等離 子燒結(jié) s p a r kp l a s m as i n t e r i n g t 藝合成不同a 1 2 0 3 體積含量的t i 3 s i c 2 a 1 2 0 3 復(fù)合材料 并研究了a 1 2 0 3 對z i 3 s i c 2 a 1 2 0 3 復(fù)合材料性能及顯微結(jié)構(gòu)的影 響 隨著舢2 0 3 體積分數(shù)的增加 復(fù)合材料的密度變化不大 但硬度明顯 增加 t b s i c 2 2 0 v o l a 1 2 0 3 的維氏硬度達1 0 g p a 以上 遠高于純t i 3 s i c 2 的 維氏硬度 后者僅為7 g p a 增幅達2 5 以上 這表明a 1 2 0 3 可明顯提高 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 t i 3 s i c 2 的硬度 彎曲強度和斷裂韌性分別可達到5 0 0 m p a 和7 4 m p a m 2 隨舢2 0 3 含量增加 晶粒尺寸逐漸降低 當a 1 2 0 3 含量為2 0 v 0 1 時 晶粒 尺寸已降至l 岬 a 1 2 0 3 彌散分布在材料中 阻止了t i 3 s i c 2 晶粒的長大及 晶界移動 這也導(dǎo)致了t i 3 s i c 2 a 1 2 0 3 復(fù)合材料強度 韌性的增加 同時 指出當a 1 2 0 3 含量過高時 材料強度 斷裂韌性的下降是由于a 1 2 0 3 的團 聚所致 1 3 2 4c b n t i 3 s i c 2 復(fù)合材料 e b e n k o 3 0 1 等人采用熱壓工藝制備c b n t i 3 s i c 2 復(fù)合材料 通過顯微 結(jié)構(gòu)的分析 在c b n t i 3 s i c 2 晶界處有多相 t i b 2 s i c t i c 和s i c 生成 指出由于t i 和b 原子空穴的存在有利于形成t i b 2 相 并研究了 c b n t i 3 s i c 2 復(fù)合材料的力學(xué)性能 其硬度值由于晶界處相組成的不同而 不同 利用超聲波方法測得其楊氏模量為4 0 0 5 0 g p a 受復(fù)合材料的顯 微結(jié)構(gòu)和c b n 材料的等參數(shù)的影響 楊氏模量波動范圍比較大 1 4t i 3 s i c 2 基復(fù)合材料的應(yīng)用前景 t i 3 s i c 2 基復(fù)合材料由于其獨特的高強 高溫 高電導(dǎo) 高穩(wěn)定性等 優(yōu)良性能階 將會成為高溫結(jié)構(gòu)材料研究的重要體系 t i 3 s i c 2 及其復(fù)合 材料極具吸引力和廣闊前景的應(yīng)用有以下幾方面 1 它具有與石墨類 似的層狀結(jié)構(gòu)和自潤滑性 而導(dǎo)電性和硬度都優(yōu)越于石墨 抗氧化性也 更好 所以在高溫下或其他氧化環(huán)境下需要潤滑的場合 如用作軸承材 料 它的潛力將遠遠大于石墨 2 由于其良好的抗熱震性和抗氧化性 高溫下高的屈服點和塑性 可用于制備渦輪機葉片和定子 以及陶瓷發(fā) 動機等 3 利用其好的導(dǎo)電性和抗熱震性使它在熔融金屬的電極材料 的應(yīng)用方面也有很大的潛力等等 要最終達到廣泛的工業(yè)應(yīng)用 還要解決許多問題 有許多工作要做 今 后的研究方向可能包括以下內(nèi)容 1 1 合成與加工過程的基礎(chǔ)理論研究 包括熱力學(xué)和動力學(xué) 過程機理 諸多參數(shù)對過程的影響等等 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 先進的制備技術(shù)及工藝條件研究 包括新技術(shù) 新工藝的研究 工 藝的優(yōu)化 工藝條件與材料性能的關(guān)系等等 3 復(fù)合體系的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)形成機理 包括材料體系的結(jié)構(gòu)特點 第二 相與基體間的關(guān)系 界面 相容性 潤濕性 分布等 各種工藝下材料結(jié) 構(gòu)形成的機理 結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系等等 4 材料設(shè)計與工藝設(shè)計 基于所設(shè)想的組成 結(jié)構(gòu) 性能及采用何種 工藝 條件等 制備所需性能的材料 5 解決工業(yè)應(yīng)用中的成本低 產(chǎn)品穩(wěn)定性好等問題 實現(xiàn)工業(yè)化生 產(chǎn) 1 5 實驗的目的 意義和研究方向 1 5 1 研究背景 優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景使得t i 3 s i c 2 及其復(fù)合材料近年來受到國 內(nèi)外材料方面的專家和學(xué)的重視 特別是國外已經(jīng)進行了大量的研究工作 在t i 3 s i c 2 純樣的制備和性能方面的研究取得了比較多的成果 目前國內(nèi)一些 科研院校也在著手這方面的研究工作 例如中科院沈陽金屬所 清華大學(xué) 中科院上海硅酸鹽研究所正在進行對t i s i c 2 材料的合成制備 結(jié)構(gòu)特征 物 理性能的系列研究1 3 1 4 7 1 昆明理工大學(xué)亦在進行t i 3 s i c 2 s i c 復(fù)合材料的研 究 為了提高t i 3 s i c 2 材犋的硬度和強度等性能 在t i 3 s i c 2 中弓i 入t i b 2 制備復(fù)合材料 選擇t i b 2 作為增強相的原因是 1 t i b 2 高熔點 高硬度 化學(xué)穩(wěn)定性好 抗腐蝕性好 2 t i 3 s i c 2 與 n b 2 的化學(xué)相容性比較好 3 t i b 2 與t i 3 s i c 2 的結(jié)構(gòu)很相似 部屬六方晶系 而且兩者的熱膨脹 系數(shù)很接近 晶面上存在雜質(zhì)或離子可以影響顆粒的各向異性生長 所以當t i b 2 細顆粒分布良好時 可以抑制t i 3 s i c 2 晶粒的異常長大 改善材料的各項 性能 國內(nèi)外已經(jīng)有科研人員嘗試制備t i 3 s i c 2 的各種復(fù)合材料 實現(xiàn)了 i o 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 對材料一些性能的優(yōu)化 可見 將t i 3 s i c 2 與t i b 2 按照一定的微觀結(jié)果設(shè) 計思路復(fù)合 應(yīng)該是一種很可行的材料優(yōu)化方法 用 f i b 2 顆粒增強t i 3 s i c 2 陶瓷材料 能有效的增強其力學(xué)性能 電 學(xué)性能 熱學(xué)性能 抗腐蝕性能和抗氧化性能等 有望形成理想的相界 面 從而解決陶瓷一金屬復(fù)合材料的脆性問題 豐富與發(fā)展陶瓷及陶瓷一 金屬復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論與實踐研究 具有很大的科學(xué)技術(shù)意義和經(jīng)濟 實用性 1 5 2 研究目的和意義 本課題的主要目的是利用外摻法和原位法結(jié)合熱壓燒結(jié)工藝制備出 性能優(yōu)異的t i 3 s i c 2 f i b 2 復(fù)合材料 在制備過程中 尋找合理的工藝參數(shù) 在比較低的溫度進行材料的致密化 使顆粒分布更均勻 改善兩相之間的 相容性和結(jié)合狀況 從而獲得性能更為優(yōu)越的材料 通過對材料組成結(jié)構(gòu) 和性能的分析和研究 比較詳盡的了解不同材料的組成和制備方法對復(fù)合 材料結(jié)構(gòu) 增韌機制性能的影響 1 5 3 研究內(nèi)容 本研究旨在探索在相對較低溫度下 利用較低成本快速制備致密 t i 3 s i c 2 t i b 2 塊體復(fù)合材料的新方法 并重點研究過程工藝參數(shù) 原料配 比 合成溫度等 對所合成材料的相組成及材料顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響 以便為制備t i 3 s i c 2 t i b 2 材料提供新的技術(shù)途徑 也為制備其它高性能陶 瓷材料提供了新的思路 本研究主要包括五個方面的研究 分別涉及到t i a s i c 2 t i b 2 復(fù)合材料 的合成制備 結(jié)構(gòu)特征 性能及三者之間的相互關(guān)系 1 熱壓燒結(jié)制備致密t i 3 s i c 2 t i b 2 復(fù)合材料的研究 2 1t i 3 s i c 2 t i b 2 復(fù)合材料的相形成規(guī)律的研究 3 t i 3 s i c 2 t i b 2 復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)特征研究 t i 3 s i c 2 t i b 2 復(fù)合材料力學(xué)性自 和抗腐蝕性能的研究 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章t i 3 s i c 2 t i b 2 復(fù)合材料的制備 2 1 復(fù)合材料的優(yōu)先設(shè)計原理 材料設(shè)計是新材料研制與開發(fā)的重要環(huán)節(jié) 對材料科技發(fā)展具有重要 意義 雖然 材料設(shè)計 這 術(shù)語在近2 0 多年才常為人所見 但從遠古時代 人類開始使用材料起就自覺與不自覺運用和實踐材料設(shè)計這一概念 隨著 科學(xué)技術(shù)的飛快發(fā)展人類進行材料設(shè)計的意識與自覺性日益增強 特別是 近年來 與材料科學(xué)相關(guān)的許多學(xué)科 例如物理 化學(xué) 力學(xué) 冶金學(xué) 計 算科學(xué) 與技術(shù) 顯微測量技術(shù) 材料制備技術(shù)等 取得突飛猛進的發(fā)展 使 材料設(shè)計不僅是一種愿望 更成為一種現(xiàn)實 我國 九五 期間高科技研究 發(fā)展計劃即8 6 3 計劃中關(guān)于新材料的8 6 3 7 1 5 主題明確規(guī)定了第1 2 主題為 材料