多组元纳米晶金属硼化物的制备与性能研究
发布时间：2020-07-19 12:53
【摘要】：TiB_2作为一种典型的过渡金属硼化物高温陶瓷材料,具有高的硬度,良好的耐磨性和化学稳定性,在航空航天及极端条件下具有广泛应用,但是作为陶瓷材料,容易发生脆性断裂且烧结困难的缺点,使得其应用受到极大限制。本课题选用机械合金化的方法,在室温下合成出了微纳层次结构的纳米晶TiB_2(Nano Crystalline TiB_2,以下简写为NC-TiB_2),采用高温高压预成型和放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering,以下简写SPS)相结合的方法制备出了微纳层次结构的NC-TiB_2块体材料,并对其进行了微观结构分析和力学性能测试。在5 GPa-800℃预成型,SPS-1600℃烧结的实验条件下,硬度和断裂韧性达到最大值,在9.8 N载荷下,硬度约为35.4±2.4 GPa,断裂韧性达到8.6±0.6 MPa·m~(1/2)。以微纳层次结构NC-TiB_2为原材料,微米粉末减少材料的表面氧化,纳米晶促进了材料在烧结过程中的扩散,提高了材料的烧结性能;高温高压处理抑制烧结过程中晶粒的长大。基于Hall-Petch细晶强化理论,材料硬度提高;大量晶界存在以及NC-TiB_2作为第二相粒子共同导致材料断裂韧性提高。本课题选用机械合金化的方法,在室温下合成出了微纳层次结构的纳米晶多组元金属硼化物(以下写为:NC-[TiZrHfNbTa]B_2),在TiB_2的Ti原子层等比例引入五种原子进行混合,形成了以B-B网络为骨架,B-M金属键为c轴的多组元陶瓷材料,通过高温高压预成型和SPS烧结相结合的方法制备出了致密的块体材料,对其进行了力学性能和微观结构分析。在5 GPa-800℃预成型,SPS-1600℃烧结的实验条件下,其硬度达到27.1±0.5 GPa;在1550℃实验条件下,硬度值为25.9±0.6GPa,断裂韧性达到10.2±1.3 MPa·m~(1/2),综合性能最佳。以微纳层次结构NC-[TiZrHfNbTa]B_2粉末作为烧结原材料,促进了材料的致密化烧结,提高了材料硬度和断裂韧性,但是在高温烧结过程中形成的金属氧化物,不利于材料硬度和断裂韧性的进一步提高。在本课题中,材料的高温氧化问题始终难以避免,尤其是在NC-[TiZrHfNbTa]B_2材料中更为突出,因此对机械合金化合成的材料进行表面惰性气体预吸附处理,也许有望在一定程度上抑制高温烧结过程中的表面氧化。比较NC-TiB_2和NC-[TiZrHfNbTa]B_2,后者的断裂韧性较好,有助于延长工具的服役时间,而前者硬度更高,适合用来切削硬度较高的材料。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.1
【图文】：
促进材料烧结的基础上，抑制材料的晶粒长大，性[11]。的研究进展种具有特殊物理和化学性能的材料，他们大都熔点和耐磨性好，导电性能优异，是一类耐高温导电陶种类繁多，硼离子有着不同的价态和非常多样的MB、MB2、MB4、MB6和MB12，其中MB2型结属于六方晶系，空间群是 p6/mmm(S.G. 191)[13,14种结构中，两种原子各自形成网状结构，硼原子网系中起到支撑作用，保持材料的稳定性，维持材料很多，典型的化合物如 TiB2和 ZrB2等。
28.5-30 wt.%的 B 元素范围内存在，其结构为六方晶系，空间群为 P6/mmma=b=3.028 ，c=3.228 ，α=β=90°，γ=120°，由结构图可以看出，Ti 原子占(0,0,0)位置，B 原子占据三棱柱的中心，(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稳定的化合物。在 TiB2化合物中，B 元素的引入使得其和 Ti间形成高密度的化学键，形成化合物的过程中，Ti 原子失去两个电子形成 Ti2+，原子得到一个电子形成 B-，B-的 2s 轨道与 2p 轨道发生杂化形成 σ 键，TiB2晶体价带和导带电子主要是由 Ti 原子的 3d 轨道和 B 原子的 2p 轨道上价电子构成，种独特的电子排布方式构成了其优良的导电性能。TiB2晶体结构的骨架由 B-和间的 σ 键和 Ti2+和 B-间的离子键构成，这种结构决定了 TiB2晶体具有高熔点、硬度以及优良的化学稳定性等优点。从二硼化钛的六方晶系结构可知，在其 a，轴方向为共价键，c 轴方向则主要为离子健。在离子键与 σ 键的共同作用下，T与 B-均具有强烈的各向异性，难于发生迁移，因此 TiB2晶体中的原子自扩散系很低，这导致了其烧结十分困难，工业应用受到极大限制。
燕山大学工学硕士学位论文2.4.1 制备设备本实验用到的微纳层次结构的NC-TiB2粉末和NC-[TiZrHfNbTa]B2粉末是采用SPEX Sample Prep 8000 D 高能球磨机(如图 2-1 所示)制备得到。在手套箱中(Ar 气环境，H2O㩳0.1 ppm，O2㩳0.1 ppm)按照化学计量比分别称量相应质量的单质粉末，放入 WC 球磨罐中，选用直径 11.5 mm 的 WC 研磨球，球料比约为 3：1 分别球磨 8 h、10 h、12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、22 h 和 24 h。实验原料配比如表2-4 所示。a) b)
本文编号：2762448
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.1
【图文】：
促进材料烧结的基础上，抑制材料的晶粒长大，性[11]。的研究进展种具有特殊物理和化学性能的材料，他们大都熔点和耐磨性好，导电性能优异，是一类耐高温导电陶种类繁多，硼离子有着不同的价态和非常多样的MB、MB2、MB4、MB6和MB12，其中MB2型结属于六方晶系，空间群是 p6/mmm(S.G. 191)[13,14种结构中，两种原子各自形成网状结构，硼原子网系中起到支撑作用，保持材料的稳定性，维持材料很多，典型的化合物如 TiB2和 ZrB2等。
28.5-30 wt.%的 B 元素范围内存在，其结构为六方晶系，空间群为 P6/mmma=b=3.028 ，c=3.228 ，α=β=90°，γ=120°，由结构图可以看出，Ti 原子占(0,0,0)位置，B 原子占据三棱柱的中心，(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稳定的化合物。在 TiB2化合物中，B 元素的引入使得其和 Ti间形成高密度的化学键，形成化合物的过程中，Ti 原子失去两个电子形成 Ti2+，原子得到一个电子形成 B-，B-的 2s 轨道与 2p 轨道发生杂化形成 σ 键，TiB2晶体价带和导带电子主要是由 Ti 原子的 3d 轨道和 B 原子的 2p 轨道上价电子构成，种独特的电子排布方式构成了其优良的导电性能。TiB2晶体结构的骨架由 B-和间的 σ 键和 Ti2+和 B-间的离子键构成，这种结构决定了 TiB2晶体具有高熔点、硬度以及优良的化学稳定性等优点。从二硼化钛的六方晶系结构可知，在其 a，轴方向为共价键，c 轴方向则主要为离子健。在离子键与 σ 键的共同作用下，T与 B-均具有强烈的各向异性，难于发生迁移，因此 TiB2晶体中的原子自扩散系很低，这导致了其烧结十分困难，工业应用受到极大限制。
燕山大学工学硕士学位论文2.4.1 制备设备本实验用到的微纳层次结构的NC-TiB2粉末和NC-[TiZrHfNbTa]B2粉末是采用SPEX Sample Prep 8000 D 高能球磨机(如图 2-1 所示)制备得到。在手套箱中(Ar 气环境，H2O㩳0.1 ppm，O2㩳0.1 ppm)按照化学计量比分别称量相应质量的单质粉末，放入 WC 球磨罐中，选用直径 11.5 mm 的 WC 研磨球，球料比约为 3：1 分别球磨 8 h、10 h、12 h、14 h、16 h、18 h、20 h、22 h 和 24 h。实验原料配比如表2-4 所示。a) b)
【参考文献】
相关期刊论文 前6条
1 孙培秋;朱德贵;蒋小松;孙红亮;夏兆辉;;原位合成TiB_2-TiC_(0.8)-SiC复相陶瓷的微观组织与性能研究[J];无机材料学报;2013年04期
2 刘含莲,黄传真,秦惠芳,王随莲,孙静,邹斌,艾兴;纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理研究进展[J];粉末冶金技术;2004年02期
3 张士勇;超导研究与未来超导技术[J];陕西师范大学学报(自然科学版);2003年02期
4 张存满,徐政,许业文;弥散SiC颗粒增韧Al_2O_3基陶瓷的增韧机制分析[J];硅酸盐通报;2001年05期
5 章桥新;TiB_2的价电子结构及其性能研究[J];陶瓷学报;2000年03期
6 向新,秦岩;TiB_2及其复合材料的研究进展[J];陶瓷学报;1999年02期
本文编号：2762448
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