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碳纳米管对Ti(C,N)基金属陶瓷组织性能的影响

王赛玉  
【摘要】: 本文综述了Ti(C,N)基金属陶瓷及纳米陶瓷的研究进展和发展趋势,概述了碳纳米管对金属及陶瓷性能的影响。在此基础上提出了本文的研究目的:即通过在Ti(C,N)基金属陶瓷中添加碳纳米管,提高材料的硬度、抗弯强度,开发强度、韧性均较高的Ti(C,N)基金属陶瓷,并就碳纳米管对材料组织、性能的影响进行研究。 本文采用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜观察烧结后试样的断口及显微组织结构,采用能谱仪分析材料的成分分布状况,测试了试样的抗弯强度与硬度,系统分析了材料成分、组织结构与性能之间的关系。 探讨了碳纳米管的表面改性及利用化学沉积方法进行镍包覆,得到了比较连续和均匀的镀层。在本试验中,当PH值为4.5时得到的镀层比PH值为9时得到的镀层连续光滑。经分析镀层的主要成分为Ni。 系统研究了不同Mo含量、不同烧结温度对低Ni金属陶瓷组织、性能的影响。材料烧结后,经显微组织观察,其组织为典型的芯-壳结构。随着Mo含量增加,晶粒尺寸减小,环形相增多。在相同Mo含量条件下,分别在1430℃、1440℃、1450℃、1460℃烧结时,以1450℃烧结的试样性能最好。在相同烧结温度下,当Mo含量为8%时,环形相的厚度比较适中,晶粒大小均匀,抗弯强度最高。Mo含量从4-12wt%时,整体上看硬度变化不大。综合考虑抗弯强度与硬度,当Mo含量为8wt%、烧结温度为1450℃时,性能最好。 观察与分析了不同Mo含量的金属陶瓷在不同烧结温度下的断口形貌,发现其断裂方式为混合型的,即穿晶断裂与晶界断裂同时存在,以晶界断裂为主,有明显的解理断裂。研究了添加碳纳米管后低Ni的及高Ni的金属陶瓷材料的组织结构,组织均为典型的芯-壳结构,由黑色芯部、具有明显包覆层的组织+白色芯部、包覆层不明显的组织+粘结相组成。 研究了碳纳米管对低Ni的金属陶瓷性能的影响。成分相同的每一组材料,分别在1440℃、1450℃、1460℃烧结时,以1450℃烧结时的抗弯强度最好。同种烧结温度下、添加0-1wt. %不同含量CNTs时,随碳纳米管含量增多,材料抗弯强度下降。探讨了碳纳米管经表面改性及Ni包覆与未经表面改性的碳纳米管对低Ni的Ti(C,N)基金属陶瓷性能的影响。添加Ni包覆过的碳纳米管的金属陶瓷材料的性能比添加未做过表面处理的碳纳米管的材料性能好。 研究了在高Ni的金属陶瓷材料中添加Ni包覆过的碳纳米管的作用。添加0-0.5wt.%的碳纳米管,分别于1400℃、1410℃、1420℃、1430℃烧结时,1420℃烧结时性能较好。当碳纳米管含量由0增加到0.5wt.%时,其抗弯强度随碳纳米管含量增加而升高。 观察并分析了添加碳纳米管的高Ni金属陶瓷材料组织结构。经TEM观察,在晶粒内有纳米小颗粒析出,这些纳米颗粒镶嵌于大颗粒的rim相中,能提高材料的强韧性。同时在Ti(C,N)基金属陶瓷材料形成了共格孪晶,经标定为Ti(C,N)的衍射花样,基体晶带轴为[011]M,孪晶晶带轴为[011]T。这有利于材料性能提高。 探讨了在高Ni金属陶瓷中,添加0.8wt.%的Y并添加不同含量的碳纳米管对材料组织性能的影响。当碳纳米管含量较少时,芯壳结构明显,但当碳纳米管含量达到1wt.%时,黑色的硬质相明显减少,并且有球化聚集现象。添加碳纳米管含量在0.5wt.%时性能较好。当Y添加量为0.8wt.%、碳纳米管含量在1wt.%时,Y在材料中的分布不均匀,在环形相与粘结相交界处发生成分偏析,使性能下降。


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