【摘要】：納米金剛石(ND_s)具有高強度、高硬度、耐磨性好及無毒性等突出的優(yōu)點,在復合鍍層、磨料磨具、醫(yī)用藥物載體等方面均有應用,但其作為增強相強化金屬基體的研究仍處于初級階段,國內外針對納米金剛石增強鈦基復合材料的研究很少。納米金剛石結合鈦的優(yōu)良性能獲得的復合材料,在生物醫(yī)用外科植入物等領域具有潛在的應用價值和廣闊的應用前景。因此,本論文對致密與多孔的納米金剛石增強鈦基復合材料的制備工藝、微觀組織結構與性能進行了系統(tǒng)的研究。本文基于固溶度理論和強化理論設計研究思路,即設定不同的納米金剛石含量(0、0.1wt%、0.25 wt%、0.35 wt%、0.5 wt%)與尺寸(5 nm、100 nm、200 nm、3μm),采用放電等離子燒結工藝(SPS)制備鈦基復合材料。首先以5nm的金剛石為研究對象并設定其含量為變量,研究結果表明,當燒結溫度為1173 K,保溫10 min,燒結壓力為60 MPa時,復合材料致密度可達99.3%。復合材料的顯微硬度與楊氏模量隨ND_s含量的增加而增大,屈服強度呈現先增后減的趨勢。其中0.35wt.%ND_s/T_i具有最佳綜合力學性能:與純鈦相比,硬度(52.3%)和壓縮屈服強度(23.7%)顯著增加,楊氏模量(129 GPa)可接受,延展性(49%)少許降低。0.35 wt.%ND_s/T_i復合材料耐磨損性能最好(200 N載荷時,磨損率比純鈦低71.5%),磨損機制由純鈦的剝層磨損過渡到ND_s/T_i復合材料的磨粒磨損。導熱系數隨著ND_s含量的增加而降低,但整體降低范圍在2 W/(m·k)左右。在25℃生理鹽水與SBF溶液中,0.25 wt.%與0.35 wt.%ND_s/T_i樣品致密且ND_s與T_iC難以腐蝕,表現為復合材料的耐腐蝕性能較好。另外,ND_s/T_i復合材料沒有細胞毒性,其細胞存活率比空白對照組高6.7%。ND_s/T_i復合材料最主要的增強機理為彌散強化;碳原子固溶強化為第二增強機理�；贜D_s含量的研究結果,設定金剛石含量為0.35 wt%,以ND_s尺寸為變量,以同樣的燒結工藝下制備鈦基復合材料。復合材料的致密度可達99.2%。5 nm與3μm金剛石對復合材料的增強效果較好,其中5nmND_s/T_i復合材料的硬度較純鈦增加27.4%,兩種材料的屈服強度較高,其σ_(0.2)值分別為1024 MPa和1039 MPa。當金剛石尺寸由5 nm逐漸增至100 nm和200 nm時,彌散強化作用削弱,復合材料的力學性能變差;極限壓縮應變由51%(5 nm)降至39%(3μm)。5 nm ND_s/T_i復合材料具有最佳綜合力學性能,硬度與屈服強度顯著增加,延展性較好。3μm金剛石的鈦基復合材料強度和硬度均較高,但同時降低了材料的延展性。微納米金剛石顆粒使得ND_s/T_i復合材料的耐磨損性顯著提高,其中金剛石尺寸為5 nm的復合材料耐磨損性能最好(200 N載荷時,磨損率比純鈦低74.2%)。復合材料的導熱系數隨著金剛石尺寸的增加而增加,但總體上升范圍較小,約為1 W/(m·k)。在25℃生理鹽水與SBF溶液中,5 nm ND_s的復合材料耐腐蝕性能較好。由此說明尺寸為5 nm的0.35wt.%ND_s/T_i復合材料綜合性能最優(yōu),這是納米尺寸效應導致的結果。在致密鈦基復合材料研究的基礎上,采用SPS燒結-脫溶工藝,分別在993K、1123K的燒結溫度,40MPa的燒結壓力下保溫10 min,成功制備NaCl與NaF造孔的5 nm ND_s/T_i多孔材料。X-CT結果表明,當孔隙率為60%時,孔洞在兩種大小孔徑的多孔材料中均勻分布,粒徑分別集中在280~320μm與36-106μm之間。隨著孔隙率增至70%,孔壁變薄,出現孔洞坍塌或大面積連通現象。其中60%孔隙率的多孔鈦中,0.35 wt.%ND_s/T_i的屈服強度均達到最高,即62.54 MPa與136.48 MPa,比相同孔隙率的純鈦高65.27%與18.27%。隨著孔隙率由55%增至70%,多孔材料的屈服強度持續(xù)降低,SEM分析表明強化相主要是ND_s。隨孔隙率提高,孔徑分布及脫溶殘留的ND_s增強顆粒分布不均勻,由此產生應力集中造成多孔材料力學性能下降。綜合分析,大孔的鈦基復合材料可望應用于生物醫(yī)學領域,小孔的復合材料可望應用于腐蝕性環(huán)境中的過濾分離領域。
【圖文】：

圖 1-1 熔鑄法制備鈦基復合材料裝置示意圖[52]高溫合成工藝高溫合成法制備 TMCs 是將制備復合材料所需的粉末經混合和壓局部點燃，燃燒放出的熱量依次誘發(fā)臨近層的燃燒反應，形成自成反應，，生成復合產物[56]。SHS 具有工藝簡單，低能量輸入、便缺點為制備過程中反應迅速、增強相的大小與形貌不可控制；合體逸出，難以實現完全致密化，孔隙率高達 7%-13%，該技術適于制到全致密化的鈦基復合材料需將自蔓燃高溫合成法與熱加工技術散法是美國馬丁(Martin Mariet)試驗室在自蔓延高溫合成(SHS)基礎上材料的制備技術。用放熱擴散法制備 PTMCs 的基本原理是將所需自燃合成的溫度，借助粉末間發(fā)生放熱反應形成所需的復合材料基復合材料的制備，隨后迅速發(fā)展應用于鈦基復合材料的研究。

東南大學碩士學位論文種在非平衡狀態(tài)下制備顆粒增強鈦基復合材料的技體粉末均勻混合，經擠壓、碰撞、變形、破碎、焊增強。其可以彌補普通混料方法的缺點，獲得混合粉之間尺寸差別大的混合粉末[61]。該工藝可將粒子拉伸強度和塑性，并且使得粉末系統(tǒng)儲能增高，有缺點是高能球磨機的產量低和粉末容易受到污染，和球磨助劑的分解。術（SPS），也稱等離子活化燒結（PAS）或者電磁輔助沖直流電產生放電等離子體在石墨模具中燒結粉末：軸向壓力裝置；水冷沖頭電極；真空腔體；氣氛卻水、位移測量、溫度測量和安全等控制單元。S
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

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本文編號：2624422