非化学计量比碳化钛（锆）的制备及其结构、力学性能和氧化过程研究

发布时间：2017-05-24 20:16

  本文关键词：非化学计量比碳化钛（锆）的制备及其结构、力学性能和氧化过程研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：TiC和ZrC具有许多优良的物理和化学性能，因而在很多领域获得广泛的应用。本论文利用放电等离子(SPS)和高压烧结(HPS)方法烧结了TiC、ZrC和TixZr1-xC纳米晶/超细晶块体，实现了低温致密化烧结，并具有良好的力学性能。 利用球磨的方法，以微米金属Ti/Zr粉和有机溶剂为原料制备了非化学计量比的TiCx、ZrCx纳米粉末。研究了球磨机的转速、球磨时间、不同的有机溶剂及有机溶剂的量对制备碳化物纳米粉体的影响。 利用放电等离子烧结(SPS)方式，在1300℃烧结了TiCx超细晶块体，平均晶粒尺寸在250~300纳米之间，具有良好的致密度。通过控制制备纳米粉的球磨时间，烧结粉体后可以得到不同碳含量的TiCx。烧结TiCx中存在碳空位有序，为立方结构的Ti2C。非化学计量比的TiCx块体硬度随着碳含量的增加而增加，维氏硬度最高为17.9GPa，抗压缩强度也随着碳含量的增加而增加，最高抗压强度为3.2GPa。在1200℃烧结了ZrC块体，平均晶粒尺寸在100nm左右，维氏硬度达到17GPa。 TiCx纳米粉体首先在真空环境800℃除气30min，然后在3GPa压力下进行变温烧结。在1100℃的温度下烧结的样品平均晶粒尺寸约为100nm，维氏硬度达到26GPa，随着温度的升高，晶粒尺寸变大，样品的硬度降低。与SPS烧结方式相比，高压烧结方式显著提高TiC0.85的硬度，并降低了烧结温度。同样对未经真空热处理的ZrC纳米粉体进行了同样工艺的高压烧结，断口形貌分析发现，烧结体存在较多的空洞，维氏硬度为16GPa。 利用SPS对TiCx、ZrCx混合纳米粉体进行烧结，得到了完全固溶的TixZr1-xC块体，并画出了固溶相图。烧结过程中先是生成富含ZrC的TixZr1-xC固溶相和富含TiC的TixZr1-xC固溶相，进一步提高烧结温度形成了单相的TixZr1-xC固溶相。完全固溶的TixZr1-xC块体比未完全固溶的块体硬度高，而弹性模量低。烧结过程中，由于TiC和ZrC的相互制约晶粒生长，在1800℃烧结得到了平均晶粒尺寸在100nm~400nm之间的TixZr1-xC块体，具有较高的硬度和断裂韧性，其维氏硬度最高为24GPa，断裂韧性最高为6.9MPa m1/2。 研究了SPS烧结的TiCx、ZrCx及TixZr1-xC样品在空气中的氧化过程。发现碳空位有序的TiCx及ZrCx的起始氧化温度比化学计量比的TiC和ZrC低。含碳空位有序的TiC0.57在氧化过程中表现出明显的三个阶段，经过分析，，我们认为锐钛矿结构的TiO2和TiC的失配性较差导致氧化速度的不同。空位有序的ZrC0.6在氧化过程中首先生成ZrC0.6O0.4，然后随着温度的升高进一步氧化得到四方相的ZrO2，还发现存在正交结构的ZrO2。与单相TiC和ZrC相比，相互固溶TixZr1-xC的抗氧化能力明显提高。
【关键词】：TiC ZrC ZrxTi1-xC 机械合金化 SPS 纳米 硬度 氧化 非化学计量比
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ127.12
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 选题背景及研究意义11-12
• 1.2 TiC、ZrC 晶体结构及物理性能12-16
• 1.2.1 TiC、ZrC 的晶体结构12-13
• 1.2.2 非化学计量比的 TiC、ZrC 和有序结构13-15
• 1.2.3 TiC、ZrC 的物理性能15-16
• 1.3 TiC、ZrC 纳米粉体制备及烧结方法16-20
• 1.3.1 TiC、ZrC 纳米粉体制备方法16-18
• 1.3.2 TiC、ZrC 块体的烧结方法18-20
• 1.4 TiC、ZrC 材料增韧方法20-21
• 1.5 TiC、ZrC 的氧化过程21-22
• 1.6 分析表征方法及软件介绍22-23
• 1.7 论文主要内容23-25
• 第2章 纳米 TiC、ZrC 粉末制备及形成机理研究25-37
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验优化和分析26-31
• 2.2.1 转速对球磨效率的影响27-28
• 2.2.2 不同球磨时间对球磨效率的影响28-29
• 2.2.3 不同有机溶剂对球磨效率的影响29-30
• 2.2.4 有机溶剂的剂量对球磨效率的影响30-31
• 2.3 TiC、ZrC 纳米粉形成过程研究31-33
• 2.4 TiC 纳米粉形貌分析33-34
• 2.5 其他过渡金属碳化物34-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第3章 放电等离子烧结 TiC_x、ZrC 及力学性能研究37-57
• 3.1 引言37-38
• 3.2 样品烧结过程38-39
• 3.3 不同碳含量 TiC_x块体的烧结39-44
• 3.3.1 不同碳含量 TiC_x块体的物相分析39-42
• 3.3.2 不同碳含量 TiC_x块体的形貌分析42-43
• 3.3.3 样品烧结过程及机理分析43-44
• 3.4 空位有序分析44-50
• 3.4.1 Ti_2C 超结构的模拟44-46
• 3.4.2 Ti_2C 超结构的 X 射线衍射分析46-48
• 3.4.3 Ti_2C 超结构的透射电镜分析48-50
• 3.5 不同碳含量 TiC_x力学测试及分析50-52
• 3.6 SPS 烧结 ZrC 及力学性能分析52-56
• 3.7 本章小结56-57
• 第4章 高压烧结 TiC_(0.85)、ZrC 及力学性能研究57-67
• 4.1 引言57-58
• 4.2 实验方法58-59
• 4.3 高压烧结 TiC_(0.85)及力学性能分析59-62
• 4.3.1 高压烧结 TiC_(0.85)的表征59-60
• 4.3.2 高压烧结 TiC_(0.85)的形貌分析60-62
• 4.3.3 高压烧结 TiC_(0.85)的力学性能及分析62
• 4.4 高压烧结 ZrC 及力学性能分析62-65
• 4.4.1 高压烧结 ZrC 的表征62-64
• 4.4.2 高压烧结 ZrC 的形貌分析64-65
• 4.4.3 高压烧结 ZrC 的力学性能及分析65
• 4.5 本章小结65-67
• 第5章 放电等离子烧结 Ti_xZr_(1-x)C 及力学性能研究67-81
• 5.1 引言67-68
• 5.2 样品烧结和测试方法68
• 5.3 Ti_xZr_(1-x)C 固溶体的烧结及形貌68-74
• 5.3.1 Ti_xZr_(1-x)C 固溶体的表征68-71
• 5.3.2 温度对烧结固溶体的影响71-73
• 5.3.3 烧结固溶体的畴结构分析73
• 5.3.4 Ti_xZr_(1-x)C 的晶粒抑制生长研究73-74
• 5.4 纳米 Ti_xZr_(1-x)C 的力学性能及分析74-80
• 5.4.1 纳米压痕测量硬度及弹性模量74-76
• 5.4.2 维氏硬度与载荷的关系76-77
• 5.4.3 维氏硬度与断裂韧性及分析77-80
• 5.5 本章小结80-81
• 第6章 TiCx、ZrCx和 Ti_xZr_(1-x)C 的氧化过程研究81-95
• 6.1 引言81-82
• 6.2 实验方法82
• 6.3 TiC_(0.57)的氧化过程研究82-89
• 6.3.1 TiC_(0.57)的氧化过程及分析82-86
• 6.3.2 氧化时间对 TiC_(0.57)的氧化过程的影响86-89
• 6.4 ZrC 的氧化过程研究89-93
• 6.4.1 碳空位对 ZrC 的氧化过程的影响89-91
• 6.4.2 空位有序 ZrC_(0.6)氧化过程中正交结构的 ZrO291-93
• 6.5 Ti_xZr_(1-x)C 的氧化过程研究93-94
• 6.6 本章小结94-95
• 结论95-97
• 参考文献97-106
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果106-108
• 致谢108-109
• 作者简介109

【参考文献】

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本文编号：391877