【摘要】：準(zhǔn)晶是具有準(zhǔn)周期平移格子構(gòu)造的固體，其中的原子常呈定向有序排列，但不作周期性平移重復(fù)，其對稱要素包含與晶體空間格子不相容的對稱（如5次對稱軸），準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)通常介于晶體和非晶體之間，可以具有晶體所不允許的特殊宏觀對稱性。準(zhǔn)晶合金因其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)、介穩(wěn)的理化性質(zhì)，以及潛在的多種性能應(yīng)用，使得其理論與應(yīng)用研究處于科學(xué)研究熱點(diǎn)，相關(guān)研究成果于2011年獲諾貝爾化學(xué)獎。目前世界上準(zhǔn)晶的研究十分活躍，中國、法國、德國、日本和美國的科研工作者都開展了相關(guān)工作，預(yù)計在未來若干年中，它的低摩擦、耐腐蝕、耐熱性和非粘性會進(jìn)一步被開發(fā)利用于材料領(lǐng)域。Ti基準(zhǔn)晶合金作為除鋁基準(zhǔn)晶合金外最大的準(zhǔn)晶體系，其在傳輸性能、力學(xué)性能、表面性能、貯氫性能、光學(xué)性能等方面的研究具有極其重要的理論與應(yīng)用價值。遺憾的是，Ti基準(zhǔn)晶合金形成能力有限，導(dǎo)致大尺寸Ti基準(zhǔn)晶合金材料較難制備，這直接限制了其相關(guān)物理/化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性能、以及功能特性等方面的系統(tǒng)研究。因此，制備出大尺寸Ti基準(zhǔn)晶合金材料是為深入研究該材料性質(zhì)、性能的前提。 本工作針對“大尺寸Ti基準(zhǔn)晶合金材料”制備這個行業(yè)的瓶頸問題，通過制備高純度Ti40.83Zr40.83Ni18.34準(zhǔn)晶合金粉末，然后采用壓制成型熱處理、熱壓燒結(jié)、超高壓制備（超高壓、超高壓高溫）、以及等離子放電燒結(jié)等方法，分別制備大尺寸準(zhǔn)晶合金塊體材料；并借助多種表征與測試手段，對制備樣品的微觀結(jié)構(gòu)、相組成、力學(xué)性能、摩擦磨損性能、熱導(dǎo)性能、電導(dǎo)性能、磁學(xué)性能等開展了研究，相關(guān)研究結(jié)果如下： （1）采用壓制成型熱處理、熱壓燒結(jié)、超高壓制備（超高壓、超高壓高溫）和等離子放電燒結(jié)方法均可以制備出大尺寸Ti40.83Zr40.83Ni18.34準(zhǔn)晶合金塊體材料。樣品直徑為9-15mm，其高度為2-9mm。各方法合成的樣品均具有準(zhǔn)晶的I相特征峰（36°和39°的兩個特征峰），且準(zhǔn)晶含量高，雜相成分極少。 （2）力學(xué)性能測試結(jié)果表明：壓制成型熱處理制備樣品易出現(xiàn)起翹、破裂和凹陷等缺陷，成形性較差；熱壓燒結(jié)法方便快捷，制備尺寸可變范圍大，但樣品強(qiáng)度較低；超高壓高溫制備方法制備的樣品具有高耐磨性，但樣品尺寸限制在厘米級；等離子放電燒結(jié)方法制得的塊體致密度大（密度值為5.83g cm-3，約為理論密度的97.46%），其硬度、抗壓強(qiáng)度和最大變形量均最高，分別為716(Hv)、662MPa和2.65%。 （3）摩擦磨損性能測試結(jié)果表明：各種方法制備樣品的摩擦系數(shù)在0.40-0.59的范圍；摩擦系數(shù)的高低與樣品致密度、強(qiáng)度和剛度的有關(guān)。測試的壓力、摩擦速率、摩擦總時間以及摩擦溫度分別增大，均會導(dǎo)致準(zhǔn)晶塊體材料的摩擦磨損系數(shù)減小，但減小幅度逐漸減弱直至穩(wěn)定；其磨損體積均隨壓力、摩擦速率、摩擦總時間以及摩擦溫度的增高而增加。 （4）對具有最優(yōu)機(jī)械性能的等離子放電燒結(jié)樣品測試了材料的熱電和磁學(xué)性能。熱電性能測試結(jié)果表明：Ti40.83Zr40.83Ni18.34準(zhǔn)晶合金塊體材料熱導(dǎo)率為3.88WK-1m-1、電導(dǎo)率為3.36×105-1m-1、賽貝克系數(shù)為3.26×10-6VK-1；室溫下（20℃）熱電系數(shù)ZT值為2.76×10-4，ZT值隨著溫度升高而降低，當(dāng)溫度為600℃時，ZT值為2.06×10-4。磁學(xué)性能測試結(jié)果表明：樣品矯頑力為25.85(Oe)，剩磁為0.01emug-1，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.65emug-1。 本工作制備的大尺寸Ti40.83Zr40.83Ni18.34準(zhǔn)晶合金塊體材料對推進(jìn)該類準(zhǔn)晶塊體材料在性質(zhì)/性能研究方面具有應(yīng)用基礎(chǔ)意義。此外，本工作對各種制備方法的優(yōu)劣的對比，將為高性能大尺寸準(zhǔn)晶合金塊體材料制備方法的選擇提供依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TF124
【圖文】：

圖 1.1 準(zhǔn)晶旋轉(zhuǎn)對稱軸示意圖(a) 五次，(b) 八次，(c) 十次，(d) 十二次Fig. 1.1 The sketch map of the quasicrystalline’s rotation axis of symmetry(a) 5-axis, (b) 8-axis, (c) 10-axis, (d) 12-axis rotation symmetry.準(zhǔn)晶合金的結(jié)構(gòu)晶在結(jié)構(gòu)上，是由對稱重復(fù)的小的單元組成的，這些小的單元的平面排元體來看，存在相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)周期性，整個結(jié)構(gòu)周期排布且填滿整個空間。，因三維準(zhǔn)晶多與二十面體有關(guān)，除了旋轉(zhuǎn)對稱軸之外，還具有 15 個稱中心，其基本的結(jié)構(gòu)單元是兩個菱面體，且這兩個菱面體邊長相同，圖 1.2 所示）[22]。維準(zhǔn)晶的陣點(diǎn)的排列是準(zhǔn)周期的：因?yàn)槲宕屋S在菱面體邊長上有六個，六個五次軸，分別作為不同方向的單位矢量，命名為 a1，a2，a3，a4，

圖 1.2 三維準(zhǔn)晶單元體(a) 尖菱面體，(b) 厚菱面體Fig. 1.2 Unit body of the three-dimensional quasicrystalline(a) Sharp rhododendron, (b) Thick rhododendron.具有五次旋轉(zhuǎn)對稱軸的的準(zhǔn)晶體，其在透射電子顯微鏡下呈現(xiàn)獨(dú)特 1.3a 所示，中心處為光源，其結(jié)構(gòu)單元為正五邊形，在空間幾何點(diǎn)構(gòu)為 1.3b 中所示模型，其中由兩種具有不同角度的四邊形布滿平面兩種三維菱面體的一個表面[24]。

圖 1.2 三維準(zhǔn)晶單元體(a) 尖菱面體，(b) 厚菱面體Fig. 1.2 Unit body of the three-dimensional quasicrystalline(a) Sharp rhododendron, (b) Thick rhododendron.于具有五次旋轉(zhuǎn)對稱軸的的準(zhǔn)晶體，其在透射電子顯微鏡下呈現(xiàn)獨(dú)特的衍圖 1.3a 所示，中心處為光源，其結(jié)構(gòu)單元為正五邊形，在空間幾何點(diǎn)陣排結(jié)構(gòu)為 1.3b 中所示模型，其中由兩種具有不同角度的四邊形布滿平面，這表兩種三維菱面體的一個表面[24]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2798423