【摘要】：TiB_2作為一種典型的過渡金屬硼化物高溫陶瓷材料,具有高的硬度,良好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性,在航空航天及極端條件下具有廣泛應(yīng)用,但是作為陶瓷材料,容易發(fā)生脆性斷裂且燒結(jié)困難的缺點(diǎn),使得其應(yīng)用受到極大限制。本課題選用機(jī)械合金化的方法,在室溫下合成出了微納層次結(jié)構(gòu)的納米晶TiB_2(Nano Crystalline TiB_2,以下簡(jiǎn)寫為NC-TiB_2),采用高溫高壓預(yù)成型和放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering,以下簡(jiǎn)寫SPS)相結(jié)合的方法制備出了微納層次結(jié)構(gòu)的NC-TiB_2塊體材料,并對(duì)其進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析和力學(xué)性能測(cè)試。在5 GPa-800℃預(yù)成型,SPS-1600℃燒結(jié)的實(shí)驗(yàn)條件下,硬度和斷裂韌性達(dá)到最大值,在9.8 N載荷下,硬度約為35.4±2.4 GPa,斷裂韌性達(dá)到8.6±0.6 MPa·m~(1/2)。以微納層次結(jié)構(gòu)NC-TiB_2為原材料,微米粉末減少材料的表面氧化,納米晶促進(jìn)了材料在燒結(jié)過程中的擴(kuò)散,提高了材料的燒結(jié)性能;高溫高壓處理抑制燒結(jié)過程中晶粒的長(zhǎng)大�；贖all-Petch細(xì)晶強(qiáng)化理論,材料硬度提高;大量晶界存在以及NC-TiB_2作為第二相粒子共同導(dǎo)致材料斷裂韌性提高。本課題選用機(jī)械合金化的方法,在室溫下合成出了微納層次結(jié)構(gòu)的納米晶多組元金屬硼化物(以下寫為:NC-[TiZrHfNbTa]B_2),在TiB_2的Ti原子層等比例引入五種原子進(jìn)行混合,形成了以B-B網(wǎng)絡(luò)為骨架,B-M金屬鍵為c軸的多組元陶瓷材料,通過高溫高壓預(yù)成型和SPS燒結(jié)相結(jié)合的方法制備出了致密的塊體材料,對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)分析。在5 GPa-800℃預(yù)成型,SPS-1600℃燒結(jié)的實(shí)驗(yàn)條件下,其硬度達(dá)到27.1±0.5 GPa;在1550℃實(shí)驗(yàn)條件下,硬度值為25.9±0.6GPa,斷裂韌性達(dá)到10.2±1.3 MPa·m~(1/2),綜合性能最佳。以微納層次結(jié)構(gòu)NC-[TiZrHfNbTa]B_2粉末作為燒結(jié)原材料,促進(jìn)了材料的致密化燒結(jié),提高了材料硬度和斷裂韌性,但是在高溫?zé)Y(jié)過程中形成的金屬氧化物,不利于材料硬度和斷裂韌性的進(jìn)一步提高。在本課題中,材料的高溫氧化問題始終難以避免,尤其是在NC-[TiZrHfNbTa]B_2材料中更為突出,因此對(duì)機(jī)械合金化合成的材料進(jìn)行表面惰性氣體預(yù)吸附處理,也許有望在一定程度上抑制高溫?zé)Y(jié)過程中的表面氧化。比較NC-TiB_2和NC-[TiZrHfNbTa]B_2,后者的斷裂韌性較好,有助于延長(zhǎng)工具的服役時(shí)間,而前者硬度更高,適合用來切削硬度較高的材料。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ174.1
【圖文】：

促進(jìn)材料燒結(jié)的基礎(chǔ)上，抑制材料的晶粒長(zhǎng)大，性[11]。的研究進(jìn)展種具有特殊物理和化學(xué)性能的材料，他們大都熔點(diǎn)和耐磨性好，導(dǎo)電性能優(yōu)異，是一類耐高溫導(dǎo)電陶種類繁多，硼離子有著不同的價(jià)態(tài)和非常多樣的MB、MB2、MB4、MB6和MB12，其中MB2型結(jié)屬于六方晶系，空間群是 p6/mmm(S.G. 191)[13,14種結(jié)構(gòu)中，兩種原子各自形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，硼原子網(wǎng)系中起到支撐作用，保持材料的穩(wěn)定性，維持材料很多，典型的化合物如 TiB2和 ZrB2等。

28.5-30 wt.%的 B 元素范圍內(nèi)存在，其結(jié)構(gòu)為六方晶系，空間群為 P6/mmma=b=3.028 ，c=3.228 ，α=β=90°，γ=120°，由結(jié)構(gòu)圖可以看出，Ti 原子占(0,0,0)位置，B 原子占據(jù)三棱柱的中心，(1/3,2/3,1/2)和(2/3,1/3,1/2)位置，是 Ti 和元素可以形成的最穩(wěn)定的化合物。在 TiB2化合物中，B 元素的引入使得其和 Ti間形成高密度的化學(xué)鍵，形成化合物的過程中，Ti 原子失去兩個(gè)電子形成 Ti2+，原子得到一個(gè)電子形成 B-，B-的 2s 軌道與 2p 軌道發(fā)生雜化形成 σ 鍵，TiB2晶體價(jià)帶和導(dǎo)帶電子主要是由 Ti 原子的 3d 軌道和 B 原子的 2p 軌道上價(jià)電子構(gòu)成，種獨(dú)特的電子排布方式構(gòu)成了其優(yōu)良的導(dǎo)電性能。TiB2晶體結(jié)構(gòu)的骨架由 B-和間的 σ 鍵和 Ti2+和 B-間的離子鍵構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)決定了 TiB2晶體具有高熔點(diǎn)、硬度以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。從二硼化鈦的六方晶系結(jié)構(gòu)可知，在其 a，軸方向?yàn)楣矁r(jià)鍵，c 軸方向則主要為離子健。在離子鍵與 σ 鍵的共同作用下，T與 B-均具有強(qiáng)烈的各向異性，難于發(fā)生遷移，因此 TiB2晶體中的原子自擴(kuò)散系很低，這導(dǎo)致了其燒結(jié)十分困難，工業(yè)應(yīng)用受到極大限制。

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文2.4.1 制備設(shè)備本實(shí)驗(yàn)用到的微納層次結(jié)構(gòu)的NC-TiB2粉末和NC-[TiZrHfNbTa]B2粉末是采用SPEX Sample Prep 8000 D 高能球磨機(jī)(如圖 2-1 所示)制備得到。在手套箱中(Ar 氣環(huán)境，H2O㩳0.1 ppm，O2㩳0.1 ppm)按照化學(xué)計(jì)量比分別稱量相應(yīng)質(zhì)量的單質(zhì)粉末，放入 WC 球磨罐中，選用直徑 11.5 mm 的 WC 研磨球，球料比約為 3：1 分別球磨 8 h、10 h、12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、22 h 和 24 h。實(shí)驗(yàn)原料配比如表2-4 所示。a) b)

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 孫培秋;朱德貴;蔣小松;孫紅亮;夏兆輝;;原位合成TiB_2-TiC_(0.8)-SiC復(fù)相陶瓷的微觀組織與性能研究[J];無機(jī)材料學(xué)報(bào);2013年04期

2 劉含蓮,黃傳真,秦惠芳,王隨蓮,孫靜,鄒斌,艾興;納米復(fù)合陶瓷材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理研究進(jìn)展[J];粉末冶金技術(shù);2004年02期

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本文編號(hào)：2762448