TiB2粉體與TiB2-SiC復合材料制備及性能.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、熔點高、耐磨性好以及導熱、導電性優(yōu)良等特性，可被廣泛應用于切割刀具、防彈裝甲、晶粒細化劑、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)，不僅會造成配方失準，最終產(chǎn)物會有其他相生成，而且會對爐膛造成酸蝕。而碳化硼價格昂貴，高溫合成的粉體粒徑分布廣泛，需要進一步細化處理。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。
　　二硼化鈦自擴散系數(shù)低，在常壓下難以實現(xiàn)致密化燒結(jié)。碳化硅具有優(yōu)良的力學和熱學性能，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，減小二硼化鈦燒結(jié)的擴散阻力，獲得較為致密的TiB2-SiC復合材料。
　　本文以TiO2、HBO2、B4C和炭黑為原料，對傳統(tǒng)的碳熱還原工藝進行優(yōu)化。系統(tǒng)的研究了硼源含量、煅燒制度和碳源種類對

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:當煅燒制度為1700℃保溫30min時，30.4wt％TiO2+46.7wt％HBO2+22.9wt％炭黑，即偏硼酸在化學計量配比上過量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。當煅燒制度為1600℃保溫30min時，61.0wt％TiO2+25.3wt％B4C+13.7wt％炭黑

4、，即碳化硼在化學計量配比上過量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，相對于石墨和活性炭，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復合材料。確定了無壓燒結(jié)復相陶瓷的最佳原料組成，探索了燒結(jié)制度對燒結(jié)體力學性能

5、和熱學性能的影響。實驗結(jié)果說明:無壓燒結(jié)TiB2-SiC復合材料的最佳原料組成為75wt％TiB2+25wt％SiC+15wt％PF+0.2wt％PVP。當燒結(jié)溫度為2100℃，保溫時間為60min時，復相陶瓷的彎曲強度和斷裂韌性均能達到峰值，分別為209.5MPa和4.6MPa·m1/2。此時陶瓷的硬度為29.3GPa，熱導率可達32.3W/(m·K)。當燒結(jié)溫度低于2100℃，保溫時間少于60min時，由于溫度提供的燒結(jié)擴散能難以完

6、全克服晶界阻力，熱傳導時間不夠?qū)е聹囟葓霾痪?，陶瓷的致密化程度不夠充分，從而相應的力學和熱學性能不甚理想。當燒結(jié)溫度高于2100℃，保溫時間超過60min時，會發(fā)生晶粒的異常長大甚至過燒，進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燒結(jié)體力學性能和熱學性能的影響，并分析了復相陶瓷的增韌機理與導熱機制。當石墨烯含量從0增加至5wt％時，復相陶瓷彎曲強度和熱導率在石墨烯含量為2wt％達到峰

7、值點，分別為301.3MPa和35.4W/(m·K)。斷裂韌性在石墨烯含量為3wt％時達到峰值點，為5.7MPa.m1/2。通過對添加不同含量石墨烯制備的復相陶瓷斷面進行顯微結(jié)構(gòu)分析可知:在復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)生相互滑動從而消耗更多的能量，延緩裂紋擴散。當石墨烯含量超過3wt％時，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，使得力學性能有所降低。復相陶瓷