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热压烧结制备硼化钛陶瓷的研究

王丽  
【摘要】: TiB_2陶瓷具有优良的物理化学性能和机械力学性能,它除了具有非常高的硬度和弹性模量外,还表现出一系列良好的特性,如导电性、高熔点、耐磨损、重量轻以及高的化学稳定性,其应用前景十分广阔。然而同其他非氧化物陶瓷一样,TiB_2中强的B-B共价键和较低的硼原子自扩散系数使得TiB_2陶瓷一般需要热压烧结,并且在较高的温度下(>2000℃)才能实现材料的高致密化,从而限制了TiB_2的应用。大量的研究表明,采用无压烧结工艺来获得相对密度大于95%以上的TiB_2材料几乎是不可能的。目前对TiB_2的研究,大多集中在烧结助剂对材料的烧结性能和显微结构的影响上,但烧结助剂的添加虽然可以降低材料的烧结温度,提高材料的致密化程度,但是会影响材料的高温性能如抗氧化、抗烧蚀等性能。 本论文以二硼化钛(TiB_2)的热压烧结为主要研究内容,通过加入不同的烧结助剂,在改善烧结性能的同时,又不会在TiB_2烧结体中残留下其他杂质影响其高温使用性能。文章对TiB_2热压烧结的机制,原料粒径、氧含量、晶体结构等因素对陶瓷致密化的影响进行了探讨。主要研究内容如下: (1)添加B_4C、C等还原性烧结助剂,研究氧化物(TiO_2,B_2O_3)对TiB_2烧结的阻碍作用。前人的研究表明,氧含量是阻碍TiB_2陶瓷烧结的一个重要因素,本论文通过加入B_4C、C等烧结助剂使得微米级TiB_2商业粉体在2000℃热压烧结达到了致密。分析了氧含量对烧结的阻碍机理,并对B_4C、C两种还原助烧剂的作用机理进行了分析,经过XRD、SEM分析,发现C比B4C更适合做TiB_2的烧结助剂,因为B_4C在与TiO_2反应时会生成B_2O_3,容易造成B_2O_3的残留,使得晶粒异常长大,而C却可以进一步与B_2O_3,晶粒组织结构更均匀。 (2)本论文重点研究了烧结助剂的原位反应对TiB_2热压烧结的影响。以Ti/B、Ti/B_4C和Ti/C为复合添加烧结助剂,利用烧结助剂之间的原位反应生成具有较好烧结活性的第二相粒子来促进TiB_2陶瓷的烧结,并获得了相对密度大于97%的TiB_2陶瓷,更有意义的是,这种方法所生成的第二相(硼化钛或碳化钛)具有和基体同样较高的熔点,保证了烧结助剂不会对材料的高温力学性能带来不利的影响。课题的成功实施将为硼化物结构陶瓷,尤其是TiB_2陶瓷的研究和应用提供重要的基础数据。 (3)添加剂的引入不仅促进了TiB_2热压烧结的致密化,同时,还抑制了晶粒的生长。文章通过对球磨过的TiB_2加入C做添加剂,发现晶粒有明显的减小。


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