Ti-,2-AlN及Ti-,2-AlN-TiN復(fù)合材料的合成、結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、Ti-Al-N系統(tǒng)中有兩種重要的三元化合物Ti<,2>AlN和Ti<,4>AlN<,3>，均屬于M<,n+1>AX<,n>(n=1，2，3)族，其塊體材料兼具金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)。在常溫下，有很好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，有較低的維氏硬度，較高的彈性模量和剪切模量，像金屬一樣可進(jìn)行機(jī)械加工，并在較高溫下具有塑性；同時(shí)它又具有陶瓷的性能，有較高的屈服強(qiáng)度，高熔點(diǎn)，高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能。但是目前研究較多的是Ti<,2>AlN薄膜和Ti<,4>A

2、lN<,3>塊體材料，對(duì)于Ti<,2>AlN塊體材料的合成始終是一個(gè)難點(diǎn)，本研究將合成高純致密塊體Ti<,2>AlN材料作為一個(gè)重點(diǎn)。 Ti<,2>AlN有很多優(yōu)異的性能，但是也有其不足之處，如硬度較低、耐酸堿性能較差、力學(xué)性能不理想等，極大地限制了其作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料使用范圍。而氮化鈦(TiN)是一種具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐酸堿等特點(diǎn)的陶瓷材料，同時(shí)具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，更為重要的是它的熱膨脹系數(shù)與Ti<,2>A

3、lN相近。因此在Ti<,2>AlN中引入適量的TiN顆粒作為增強(qiáng)相，將有助于改善Ti<,2>AlN材料的性能，獲得兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料。目前沒有發(fā)現(xiàn)以Ti<,2>AlN為基體的復(fù)合材料的研究，本研究將合成致密塊體Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料作為第二個(gè)重點(diǎn)。 第三，研究所合成的Ti<,2>AlN及Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料的相形成機(jī)理、顯微結(jié)構(gòu)和性能。 針對(duì)以上三個(gè)研究重點(diǎn)，本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上進(jìn)行了

4、一系列設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論： 以n(Ti)：n(Al)：n(TiN)=1：1：l為原料，在熱壓(HP)燒結(jié)1300℃和放電等離子(SPS)燒結(jié)1200℃條件下可以合成高純致密Ti<,2>AlN塊體材料。Ti<,2>AlN呈片狀形貌，厚度尺寸和長(zhǎng)度尺寸分別為3-5、8-10μm(HP)和8-12μm、20-30μm(SPS)，晶粒發(fā)育完善，具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)特征。HP燒結(jié)試樣的密度為4.22 g/cm<'3>，達(dá)到理論密度的97

5、.9％；SPS燒結(jié)試樣的密度為4.15 g/cm<'3>，達(dá)到理論密度的96.2％。Ti<,2>AlN的合成反應(yīng)大致可分為兩個(gè)階段：900℃之前，Ti和Al反應(yīng)生成Ti-Al金屬間化合物；900℃之后，TiAl金屬間化合物和TiN反應(yīng)生成Ti<,2>AlN。由于Ti-Al鍵比Ti-N鍵弱，所以在高溫下Ti<,2>AlN容易失去Al層，轉(zhuǎn)化為Ti<,4>AlN<,3>相。 在合成Ti<,2>AlN的配比基礎(chǔ)上引入最佳體積含量為15

6、vol％的TiN作為增強(qiáng)相，在HP燒結(jié)1300℃和SPS燒結(jié)1200℃條件下合成了Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料。 Ti<,2>AlN呈片狀形貌，厚度尺寸和長(zhǎng)度尺寸分別為2—3、5—8vm(HP)和2—3μm、8—12μm(SPS)，晶粒發(fā)育完善，具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)特征；TiN為尺寸1—2 μm的四方小顆粒。HP燒結(jié)試樣的密度為4．30 g／cm<'3>，達(dá)到理論密度的96.2％；SPS燒結(jié)試樣的密度為4.23 g/cm<'

7、3>，達(dá)到理論密度的94.7％。摻入15％體積比的TiN后，復(fù)合材料燒結(jié)產(chǎn)物的晶粒尺寸比單相Ti<,2>AlN材料的要細(xì)小，說明TiN的引入可以起到細(xì)化晶粒的作用。第5章研究了單相Ti<,2>AlN和Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料的物理性能。通過對(duì)HP和SPS燒結(jié)所得到的Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料和單相Ti<,2>AlN的力學(xué)性能比較，可以發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和維氏硬度均比單相Ti<,2>AlN的要好，說明添加一

8、定的TiN有助于提高材料的力學(xué)性能。熱壓?jiǎn)蜗郥i<,2>AlN的電導(dǎo)率為3.20x10<'6> S·m<'-1>，而Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料電導(dǎo)率可以達(dá)到3.72×10<'6>S·m<'-1>，比純Ti<,2>AlN材料提高了16.25％，復(fù)合材料具有較好的導(dǎo)電性。高溫顯微鏡研究了單相Ti<,2>AlN的高溫行為，1500℃-1580℃溫度范圍是Ti<,2>AlN材料的軟化溫度，其熔融溫度大于1700℃。根據(jù)量子化學(xué)計(jì)算將單相

9、Ti<,2>AlN和Ti<,2>AlC材料進(jìn)行了比較。由于Ti<,2>AlN中的離子鍵和共價(jià)鍵強(qiáng)度均比Ti2AlC中的小，導(dǎo)致Ti<,2>AlN的力學(xué)性能比Ti<,2>AlC的要低；總態(tài)密度分析可見Ti<,2>AlC形成禁帶的趨勢(shì)要比Ti<,2>AlN更為明顯，使得Ti<,2>AlN的電導(dǎo)率比Ti<,2>AlC的要高。 第6章研究了單相Ti<,2>AlN和Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料的高溫氧化性能。恒溫氧化動(dòng)力學(xué)研究表明，

10、單相Ti<,2>AlN和Ti<,2>AIN/TiN復(fù)合材料在800—1000℃的空氣中20h的氧化符合拋物線規(guī)律。氧化溫度在800和1000℃，兩種試樣的氧化增重趨勢(shì)相似。而在900℃的氧化溫度下，復(fù)合材料的氧化增重明顯比單相Ti<,2>AlN的要少，說明在該溫度下Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料的氧化性能比Ti<,2>AlN的要好。單相Ti<,2>AlN和Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料氧化活化能分別為614.93 KJ·mol<

11、'-1>和541.35KJ·mol<'-1>。循環(huán)氧化動(dòng)力學(xué)研究表明，單相Ti<,2>AlN和Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料在800—1000℃的空氣中經(jīng)30次循環(huán)的氧化符合拋物線規(guī)律，兩種材料均具有良好的抗熱震性能。循環(huán)氧化溫度在800和900℃，兩種試樣的表面增重基本一致，而當(dāng)循環(huán)氧化溫度達(dá)到1000℃時(shí)，Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料的氧化性能比Ti<,2>AlN的要好。 第7章研究了單相Ti<,2>AlN和Ti<

12、,2>AlN/TiN復(fù)合材料的耐腐蝕性能。Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料在酸腐蝕液中的腐蝕率均比單相Ti<,2>AlN的要低近一半以上，特別是在}tN03中的差別更大，單相Ti<,2>AlN在濃HNO<,3>和稀HNO<,3>中的腐蝕率分別為956.85μm/yr、146.53μm/yr，而復(fù)合材料的腐蝕率僅分別為58.14μm/yr和19.31μm/yr。 兩種材料耐堿腐蝕的性能比耐酸腐蝕的要好得多，但在NaOH腐蝕液中，

13、復(fù)合材料比單相Ti<,2>AlN的腐蝕率要大，復(fù)合材料的腐蝕率為5.84μm/yr，而單相Ti<,2>AlN的為0.74 μm/yr。由于TiN是抗腐蝕能力很好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，所以Ti<,2>AlN/TiN復(fù)合材料具有比單相Ti<,2>AlN更好的耐酸腐蝕性能。但是TiN在NaOH溶液中長(zhǎng)時(shí)間的浸泡，可能會(huì)分解逸出氫和氨，使得材料的耐NaOH腐蝕的性能降低。綜上所述，在本論文中分別采用放電等離子燒結(jié)和熱壓燒結(jié)兩種方法合成單相Ti<,2>