以稻壳为SiO 2 源制备SiO 2 /Ti复合材料及其强化机制研究
发布时间：2020-12-13 02:53
稻壳每年产量十分巨大,常被当作农业废弃物进行处理,造成环境污染和资源的浪费。稻壳富含SiO2,而Si又是高性能钛材料的重要元素之一,因此充分利用废弃稻壳,以其为SiO2源制备高强度钛基复合材料并探索其强化机理意义重大。本文首先采用柠檬酸液对稻壳进行了酸洗处理,通过差示扫描量热法（DSC）结合动力学计算确定了稻壳的热分解过程及动力学参数,并利用碳硫分析仪、XRD、XPS分析了稻壳热解产物的成分。随后,采用热压烧结法制备了稻壳SiO2/Ti和对应比例的Si/Ti、TiO2/Ti复合材料,分别研究了 Si、O含量对复合材料晶格畸变及硬度的影响;讨论了 SiO2/Ti复合材料的强化机制。最后,研究了 SiO2含量对复合材料致密度、显微组织、硬度与摩擦磨损性能的影响。本文得到的主要结论如下:1.稻壳的热分解过程可分为5个阶段:失自由水阶段（80℃以下）、失结晶水阶段（80～250℃）、热解碳化阶段（250～360℃）、碳燃烧阶段（360～600℃）和稳定阶段（600...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
增强体非均匀分布形式示意图及对应典型显微组织
美国 Dynamet 公司就采用粉末冶金法，将 TiC 粉加入 Ti-6Al-V 或 Ti-6Al-6V-2Sn合金粉中，经烧结、锻造、轧制等工序研制出了 CermeTi 系列的复合材料【31】。结合上述制备方法特征，本文选择采用粉末冶金法，即通过粉末的混合与热压烧结完成复合材料的制备。1.4 钛硅系复合材料研究现状对于传统的铸造钛合金，通常是将包括稀土元素在内的多种元素进行合金化。例如国内 90%以上的钛合金铸件使用的均是 Ti-6Al-4V合金，此类合金的熔点高(1680℃)、结晶区域宽，铸件缩孔、缩松等缺陷较多【32】。而钛硅共晶系合金的出现则有效弥补了传统钛合金的不足，其共晶熔点低、结晶区域窄、流动性好，具有很大的潜在研究价值。图 1-4 为经过不断发展与完善后的 Ti-Si 二元系相图，可以看出，在钛硅相图的富钛端共有存在下述三个平衡转变：(1) 共晶转变(1330℃)：L（Ti，Si）→β-Ti + Ti5Si3；(2) 包析转变(1170℃)：β-Ti +Ti5Si3→Ti3Si ；(3) 共析转变(865℃)：β-Ti → -Ti + Ti3Si 。
使得材料的室温塑性变得较差。于是，Ti5Si3的微合金化成了提高钛材料力有效途径。Ti5Si3的获得途径也有许多种，如热压烧结法、电弧熔炼法等。由图 1-4还可以发现，Si 在 -Ti 中的固溶度约为 0.45wt.%，小于其在 β-Ti 中的3.0wt.%），其规律变化与 Fe-C 合金相图较为相似。为此，可利用固溶特性对合材料的成分及制备工艺进行设计，以制备出高性能的钛基复合材料。目前，关于钛硅系的材料通常是通过形成钛硅化合物 TixSiy的颗粒增强相来使强度硬度得到增加，近年来，大量对钛合金中硅化物的研究【36~38】表明：在钛中加入 0.1~0.5wt.%的 Si，即可大大提高材料的高温抗蠕变性能，并可提高材料度下的强度。硅化物增强颗粒的存在可使材料组织细化、力学性能增强。Chao等采用粉末冶金法制备了 Ti/SiO2复合材料，结果表明当 SiO2含量为 2.00wt.%时度、致密度等性能最佳，然而对其强化机理并没有进行深入阐述。为此，本文将在钛基体中引入稻壳 SiO2以制备出高强度钛基复合材料，然而，常是形成间隙固溶体的杂质元素【40】。由 Ti-O 二元相图（图 1-5）可知，氧在溶解度远大于硅原子，约为 14.5wt.%。因此，当少量的硅和氧同时存在于钛基对其强化效应和强化机制进行探索是很有意义的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]非连续相混杂增强金属基复合材料的研究进展[J]. 李剑云,谢敬佩,王爱琴,朱鹏飞. 粉末冶金工业. 2016(06)
[2]非连续颗粒增强钛基复合材料制备技术与研究进展[J]. 韩远飞,邱培坤,孙相龙,冯家浩,王立强,吕维洁. 航空制造技术. 2016(15)
[3]稻壳基二氧化硅的制备及应用研究进展[J]. 苏学军,宗春燕,韩蔚蓝,笪露遥. 化学工程师. 2016(07)
[4]三元层状化合物Ti2SC的制备及其力学性能[J]. 王雨晨,许剑光,彭桂花,梁振华. 机械工程材料. 2016(07)
[5]稻壳生物质资源利用技术研究进展[J]. 何文修,张智亮,计建炳. 化工进展. 2016(05)
[6]Ti/Al/TiN体系自蔓延高温合成钛铝氮复合材料[J]. 梁宝岩,张艳丽,张旺玺,王艳芝,徐世帅. 粉末冶金材料科学与工程. 2016(02)
[7]稻壳基磁性介孔SiO2的改性及其性质表征[J]. 赵秀平,王韧,王莉,周蕴宇,陈正行,黄鑫. 中国粮油学报. 2015(12)
[8]高温下高纯二氧化硅的结晶过程研究[J]. 莫腾腾,宋宁,谢刚,于站良,和晓才,魏可. 轻金属. 2015(04)
[9]稻壳源白炭黑对天然橡胶胶料动态性能的影响[J]. 刘大晨,李乐,罗文龙,韩慧娇. 橡胶工业. 2014(09)
[10]稻壳基白炭黑的制备研究[J]. 闫静,李洪亮,张旭东. 化工新型材料. 2013(09)
博士论文
[1]钛合金磨损行为及磨损机理的研究[D]. 王兰.江苏大学 2014
硕士论文
[1]稻壳原位制备锂离子电池用硅/碳复合负极材料的研究[D]. 王妍.吉林大学 2016
[2]稻壳预处理对稻壳灰的影响研究[D]. 陈佩.哈尔滨工业大学 2014
[3]稻壳的综合利用[D]. 杨君.大连工业大学 2011
[4]TA2工业纯钛高温组织演变研究[D]. 刘以波.上海交通大学 2010
[5]稻壳直接燃烧特性分析及试验研究[D]. 谌旭东.哈尔滨工业大学 2009
[6]秸秆类生物质层燃燃烧特性的试验研究[D]. 林鹏.上海交通大学 2008
[7]钛基复合材料中硅化物析出相研究[D]. 于杰.昆明理工大学 2004
本文编号：2913757
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
增强体非均匀分布形式示意图及对应典型显微组织
美国 Dynamet 公司就采用粉末冶金法，将 TiC 粉加入 Ti-6Al-V 或 Ti-6Al-6V-2Sn合金粉中，经烧结、锻造、轧制等工序研制出了 CermeTi 系列的复合材料【31】。结合上述制备方法特征，本文选择采用粉末冶金法，即通过粉末的混合与热压烧结完成复合材料的制备。1.4 钛硅系复合材料研究现状对于传统的铸造钛合金，通常是将包括稀土元素在内的多种元素进行合金化。例如国内 90%以上的钛合金铸件使用的均是 Ti-6Al-4V合金，此类合金的熔点高(1680℃)、结晶区域宽，铸件缩孔、缩松等缺陷较多【32】。而钛硅共晶系合金的出现则有效弥补了传统钛合金的不足，其共晶熔点低、结晶区域窄、流动性好，具有很大的潜在研究价值。图 1-4 为经过不断发展与完善后的 Ti-Si 二元系相图，可以看出，在钛硅相图的富钛端共有存在下述三个平衡转变：(1) 共晶转变(1330℃)：L（Ti，Si）→β-Ti + Ti5Si3；(2) 包析转变(1170℃)：β-Ti +Ti5Si3→Ti3Si ；(3) 共析转变(865℃)：β-Ti → -Ti + Ti3Si 。
使得材料的室温塑性变得较差。于是，Ti5Si3的微合金化成了提高钛材料力有效途径。Ti5Si3的获得途径也有许多种，如热压烧结法、电弧熔炼法等。由图 1-4还可以发现，Si 在 -Ti 中的固溶度约为 0.45wt.%，小于其在 β-Ti 中的3.0wt.%），其规律变化与 Fe-C 合金相图较为相似。为此，可利用固溶特性对合材料的成分及制备工艺进行设计，以制备出高性能的钛基复合材料。目前，关于钛硅系的材料通常是通过形成钛硅化合物 TixSiy的颗粒增强相来使强度硬度得到增加，近年来，大量对钛合金中硅化物的研究【36~38】表明：在钛中加入 0.1~0.5wt.%的 Si，即可大大提高材料的高温抗蠕变性能，并可提高材料度下的强度。硅化物增强颗粒的存在可使材料组织细化、力学性能增强。Chao等采用粉末冶金法制备了 Ti/SiO2复合材料，结果表明当 SiO2含量为 2.00wt.%时度、致密度等性能最佳，然而对其强化机理并没有进行深入阐述。为此，本文将在钛基体中引入稻壳 SiO2以制备出高强度钛基复合材料，然而，常是形成间隙固溶体的杂质元素【40】。由 Ti-O 二元相图（图 1-5）可知，氧在溶解度远大于硅原子，约为 14.5wt.%。因此，当少量的硅和氧同时存在于钛基对其强化效应和强化机制进行探索是很有意义的。
【参考文献】：
期刊论文
[1]非连续相混杂增强金属基复合材料的研究进展[J]. 李剑云,谢敬佩,王爱琴,朱鹏飞. 粉末冶金工业. 2016(06)
[2]非连续颗粒增强钛基复合材料制备技术与研究进展[J]. 韩远飞,邱培坤,孙相龙,冯家浩,王立强,吕维洁. 航空制造技术. 2016(15)
[3]稻壳基二氧化硅的制备及应用研究进展[J]. 苏学军,宗春燕,韩蔚蓝,笪露遥. 化学工程师. 2016(07)
[4]三元层状化合物Ti2SC的制备及其力学性能[J]. 王雨晨,许剑光,彭桂花,梁振华. 机械工程材料. 2016(07)
[5]稻壳生物质资源利用技术研究进展[J]. 何文修,张智亮,计建炳. 化工进展. 2016(05)
[6]Ti/Al/TiN体系自蔓延高温合成钛铝氮复合材料[J]. 梁宝岩,张艳丽,张旺玺,王艳芝,徐世帅. 粉末冶金材料科学与工程. 2016(02)
[7]稻壳基磁性介孔SiO2的改性及其性质表征[J]. 赵秀平,王韧,王莉,周蕴宇,陈正行,黄鑫. 中国粮油学报. 2015(12)
[8]高温下高纯二氧化硅的结晶过程研究[J]. 莫腾腾,宋宁,谢刚,于站良,和晓才,魏可. 轻金属. 2015(04)
[9]稻壳源白炭黑对天然橡胶胶料动态性能的影响[J]. 刘大晨,李乐,罗文龙,韩慧娇. 橡胶工业. 2014(09)
[10]稻壳基白炭黑的制备研究[J]. 闫静,李洪亮,张旭东. 化工新型材料. 2013(09)
博士论文
[1]钛合金磨损行为及磨损机理的研究[D]. 王兰.江苏大学 2014
硕士论文
[1]稻壳原位制备锂离子电池用硅/碳复合负极材料的研究[D]. 王妍.吉林大学 2016
[2]稻壳预处理对稻壳灰的影响研究[D]. 陈佩.哈尔滨工业大学 2014
[3]稻壳的综合利用[D]. 杨君.大连工业大学 2011
[4]TA2工业纯钛高温组织演变研究[D]. 刘以波.上海交通大学 2010
[5]稻壳直接燃烧特性分析及试验研究[D]. 谌旭东.哈尔滨工业大学 2009
[6]秸秆类生物质层燃燃烧特性的试验研究[D]. 林鹏.上海交通大学 2008
[7]钛基复合材料中硅化物析出相研究[D]. 于杰.昆明理工大学 2004
本文编号：2913757
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