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        原位合成TiB2/Cu復(fù)合陶瓷材料及致密性研究

        2013-08-16 06:19:32張玉鋒
        山東工業(yè)技術(shù) 2013年10期
        關(guān)鍵詞:徐強(qiáng)陶瓷材料原位

        張玉鋒

        (徐州機(jī)電工程高等職業(yè)學(xué)校 數(shù)控系,江蘇 徐州221011)

        0 引言

        陶瓷在高溫條件下仍具有很高的硬度,但是陶瓷的脆性限制了它的應(yīng)用。為了改善其性能,可采用液態(tài)金屬銅(Cu)作粘結(jié)劑,促使陶瓷的硬質(zhì)相致密化,從而提高陶瓷的性能。研究發(fā)現(xiàn),隨著Cu 含量的變化,TiB2 顆粒之間的孔隙逐漸被金屬相填充,使其致密性、韌性、強(qiáng)度都得到很大的提高。

        1 原位合成制備TiB2/Cu 陶瓷

        通過TiB2基體內(nèi)部利用元素間或元素與復(fù)合相間的化學(xué)反應(yīng)合成強(qiáng)化相。于是將Ti 粉、B 粉和Cu 粉按Ti+2B+xCu—>TiB2+xCu 反應(yīng)方程式進(jìn)行配料。利用球磨機(jī)在無氧條件下球磨樣品粉末5h,充分混合后真空干燥。干燥后將粉末放置于壓力機(jī)中,梯度增壓到20MPa,保壓5min 后取出壓片,以同樣的方法分別壓制3 組含銅量為15%、25%和35%的樣品壓片,經(jīng)適當(dāng)?shù)臒Y(jié)制取TiB2/Cu 復(fù)合材料。

        2 XRD 射線測(cè)試分析與總結(jié)

        已知在燒結(jié)過程中,Ti、B 及Cu 可能會(huì)發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng):

        為了確定合成產(chǎn)物的反應(yīng)方向和最終相,對(duì)上式反應(yīng)的反應(yīng)自由能進(jìn)行了理論計(jì)算。計(jì)算后發(fā)現(xiàn)在TiB2,TiB 及TiCu 三種可能產(chǎn)物中,TiB2的反應(yīng)自由能最低。這說明在Ti-B-Cu 體系中,TiB2是在理論上最穩(wěn)定的相。根據(jù)自由能計(jì)算參考數(shù)據(jù)可知,TiCu 是可以可按下式和B 反應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)門iB2。反應(yīng)式如下:

        通過用XRD 射線測(cè)試后所得到的衍射峰的強(qiáng)度和衍射峰的數(shù)目可以看出,如圖1 所得到的XRD 射線測(cè)試的峰值圖,圖中含有TiB2和Cu,于是可以確定,通過用原位合成的方法能夠得到TiB2/Cu 復(fù)合材料,根據(jù)成分配比,TiB2顆粒的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)達(dá)到80%左右。這一結(jié)果基本滿足要求。但同時(shí)在樣品中也發(fā)現(xiàn)有少量TiO、TiO2、CuO、TiB 等雜質(zhì),可能與燒結(jié)過程發(fā)生氧化有關(guān)。

        圖1 樣品復(fù)合材料X 射線譜

        3 金相顯微鏡的測(cè)試與分析

        通過金相顯微鏡的測(cè)試,我們根據(jù)3 組對(duì)照實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn):隨著Cu 含量的增加,TiB2復(fù)合材料的顆粒逐漸變小,空洞也在減少。如圖2所示的3 組電子掃描的圖片。三組對(duì)比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn),金屬確實(shí)能夠改變TiB2陶瓷的致密性。

        圖2 3 組Cu 含量為15%(a)、25%(b)、35%(c)的電子掃描的圖片

        由圖2 給出的3 組分別含Cu15%、25%和35%的TiB2/Cu 復(fù)合陶瓷的掃描照片。其中,灰色是TiB2相,白色是Cu 相,黑色是孔洞??锥吹拇嬖谥饕獊碓从诳赡苁窃跓Y(jié)過程中雜質(zhì)或單質(zhì)硼(B)的揮發(fā)造成。從圖中可以看出,該組織較為致密,僅有少量孔洞。同時(shí)從圖中可以看出,隨著Cu 含量的增加,TiB2顆粒的尺寸逐漸減小??赡苁请S著Cu 含量的增加,體系中的液相逐漸增多,抑制了TiB2顆粒的長(zhǎng)大,另外隨著Cu 含量的增加,金屬銅填充了陶瓷的空洞。

        4 密度的測(cè)定與分析

        用阿基米德排水法來測(cè)量復(fù)合材料的密度。利用浸在液體里的物體受到向上的浮力作用,浮力的大小等于被該物體排開的液體的重力的原理,實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷材料密度的測(cè)量。利用式F 浮=ρ 水gV 排,分別計(jì)算出15%、25%和35%的陶瓷復(fù)合材料的密度是6.32g/cm3,6.54g/cm3和7.03g/cm3。根據(jù)密度測(cè)定可以發(fā)現(xiàn):隨著銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,TiB2復(fù)合材料的密度也隨之增加。同時(shí),由密度可以得出材料的相對(duì)密度,于是根據(jù)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí),材料相對(duì)密度的變化。可以看出:隨著Cu含量的不斷增加,致密度呈逐漸增加趨勢(shì),但是增加幅度逐漸變緩。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        (1)將Ti 粉、B 粉和Cu 粉按照一定的比例混合,通過原位合成的方法是能夠得到一定量的TiB2/Cu 陶瓷材料;

        (2)在TiB2陶瓷中添加金屬(Cu)粘結(jié)劑是能夠改變陶瓷材料的一些性能包括致密性。

        [1]郭峰,李歷堅(jiān),等.TiB2基陶瓷材料的研發(fā)進(jìn)展與展望[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程,2009.

        [2]董仕節(jié),雷永平,等.原位生成TiB2/Cu 復(fù)合材料的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000.

        [3]Fu zhengyi(傅 正 義).TiB2系 金 屬 陶 瓷 的SHS-QP 制 備[N]. journal of The Chinese Ceramio Society(硅酸鹽學(xué)報(bào)),1996.

        [4]徐強(qiáng),張林,等.壓力對(duì)反應(yīng)合成TiB2-Cu 基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].新技術(shù)新工藝,2005.

        [5]徐強(qiáng).銅含量對(duì)燃燒合成TiB2/Cu 基金屬陶瓷組織和性能的影響[J].材料科學(xué)與工藝,2005.

        [6]徐麗,張幸紅,徐強(qiáng),等.TiB2/Cu 基金屬陶瓷高溫?zé)g行為研究[J].材料科學(xué)與工藝,2009.

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