TiC-TiB2基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用 2

1、小組成員：1001130502卞京偉 1001130508高慧聰 1001130424孫德龍 1001130425孫永昌 1001130426王 防 一、一、TiC-TiB2復(fù)合材料體系的選擇復(fù)合材料體系的選擇 二、二、TiCTiB2 復(fù)合陶瓷的合成與制備復(fù)合陶瓷的合成與制備 三、三、TiC- TiB2 復(fù)合陶瓷性能研究復(fù)合陶瓷性能研究 四、四、TiC-TiB2復(fù)合材料的應(yīng)用與展望復(fù)合材料的應(yīng)用與展望 五、參考文獻(xiàn)五、參考文獻(xiàn) 一、一、TiC-TiB2復(fù)合材料體系的選擇 對(duì)復(fù)相陶瓷的設(shè)計(jì)主要考慮的是兩個(gè)(或以上)相之 間在化學(xué)性能和物理性能上的匹配, 即兩相之間不發(fā) 生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)以及在熱膨

2、脹系數(shù)和彈性模量上 的匹配, 而TiC和TiB2基本滿足復(fù)相陶瓷的設(shè)計(jì)要求。另外, R emberg 等研究表明, 晶粒細(xì)小的高純TiB2在高溫條件下具 有非常好的抵抗塑性變形的能力, 其斷裂韌性達(dá)到5MPa m 1/ 2 , 而TiC則相反, 在1000 一1500 可以發(fā)生塑性變形, 但通 過加入一定量的B , 由于TiB2 的出現(xiàn)TiC會(huì)產(chǎn)生沉淀硬化; 從相圖上看,TiB2和TiC的結(jié)合在熱力學(xué)上直到 2500 一直是穩(wěn)定的; 有研究表明在室溫條件下 TiC-TiB2復(fù)合陶瓷的維氏硬度為23G Pa , 此值低 于純TiC 的2 5 .7GPa 和TiB2的28.5G Pa , 然而在

3、600 時(shí),TiC-TiB2復(fù)合陶瓷硬度遠(yuǎn)高于TiC和TiB2 單相的硬度, 這說明TiC-TiB2陶瓷基復(fù)合材料是一 種很好的高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料, 具有廣闊的應(yīng)用前景。 二、TiCTiB2 復(fù)合陶瓷的合成與制備 目前國內(nèi)外制備TiC- TiB2 復(fù)合陶瓷的傳統(tǒng) 方法主要有粉末冶金法、瞬間塑性相加工 技術(shù)(TPPP)及自蔓延高溫合成技術(shù) （SHS），另外還有放電等離子燒結(jié)(SPS) 技術(shù)和高能球磨技術(shù)等。但是以上技術(shù)或 因制備成本高，或因性能不足，使得材料 工作者一直追求TiC- TiB2 復(fù)合陶瓷的低成 本、高性能且先進(jìn)的制備方法與工藝。 （1）粉末冶金法 粉末冶金法是很成熟的、傳統(tǒng)的制備材料

4、的工 藝技術(shù)。直接采用粉末冶金法制備材料的缺點(diǎn) 是混料過程中容易混入雜質(zhì)而造成界面污染， 目前粉末冶金法的一個(gè)最新發(fā)展趨勢是將粉末 冶金法同原位合成法相結(jié)合制備復(fù)合材料。顏 沖等采用原位合成法，熱壓制備了致密的TiC- TiB2- SiC- C 炭/ 陶瓷復(fù)合材料，該材料中隨著 炭含量的增加，材料的強(qiáng)度降低，而燒結(jié)溫度 卻相應(yīng)提高。橋本澭彥在1373K通過液相反應(yīng) 燒結(jié)，利用在基質(zhì)中形成骨架構(gòu)造提高材料強(qiáng) 度，通過改變?cè)吓浔群皖w粒得到各種骨架的 Cu-TiC-TiB2復(fù)合材料。 （2）瞬間塑性相加工技術(shù)(TPPP) 瞬間塑性相加工技術(shù)(TPPP)是以金屬Ti 為 塑性相，整個(gè)過程分2 步進(jìn)行

5、：第一步是在 中溫(800)施加壓力使反應(yīng)物(Ti+B4C)成 形，同時(shí)金屬Ti 軟化，并在實(shí)現(xiàn)完全致密 化時(shí)激活反應(yīng)，原位生成目標(biāo)相，隨后在 1600、40MPa 的中等壓力下分別采用Ti B4C與TiC0.5-TiB2 作為原始粉末， 完成 TiC- TiB2 與TiC0.6- TiB2- Ti3B2 復(fù)合陶瓷的 完全致密與最終成形。該技術(shù)的特點(diǎn)在于 制備初期塑性相為Ti 金屬，而制備后期則 為TiC0.5。 瞬間塑性相加工技術(shù)(TPPP)量消耗低，放熱反應(yīng) 提供高能功率。高能反應(yīng)在較低的能量點(diǎn)火之后 變成獨(dú)立的反應(yīng)。高的燃燒溫度會(huì)促使雜質(zhì)揮發(fā)， 最后形成高純度產(chǎn)物。在TiC- TiB2

6、合成物中，由 于這個(gè)重要的特色使自蔓延高溫合成技術(shù)（SHS ） 合成的材料比普通方法合成的材料有更出色的性 能。如果在SHS技術(shù)中應(yīng)用壓力，有可能同時(shí)達(dá) 到成型和致密的目的。 （3）自蔓延高溫合成技術(shù)（SHS） 自蔓延高溫合成技術(shù)（SHS）是利用放熱反應(yīng)合 成新材料的方法，它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：燃燒速度 快，能量消耗低，放熱反應(yīng)提供高能功率。高能 反應(yīng)在較低的能量點(diǎn)火之后變成獨(dú)立的反應(yīng)。高 的燃燒溫度會(huì)促使雜質(zhì)揮發(fā)，最后形成高純度產(chǎn) 物。在TiC- TiB2 合成物中，由于這個(gè)重要的特色 使SHS 技術(shù)合成的材料比普通方法合成的材料有 更出色的性能。如果在SHS技術(shù)中應(yīng)用壓力，有 可能同時(shí)達(dá)到成型

7、和致密的目的。這種工藝就是 通常所說的高壓自蔓延（HPCS）。 Bhaumik6等人以Ti- B4C- C 混合粉末作為起始反 應(yīng)物料，采用準(zhǔn)等靜壓工藝技術(shù)制備的TiC- TiB2 復(fù)合陶瓷相對(duì)密度分別達(dá)到96% 和96.8%。通過 實(shí)驗(yàn)Bhaumik等人得出結(jié)論：雖然燃燒合成技術(shù) 的特點(diǎn)是點(diǎn)火后反應(yīng)可自行維持，不需要外源加 熱，但為了使材料進(jìn)一步致密，應(yīng)盡可能維持燃 燒合成的高溫特性。 以上各工藝具有不同的特點(diǎn)，其中SHS 工 藝是最節(jié)能高效的，但由于速度快而難以 控制反應(yīng)進(jìn)程，而瞬間塑性相加工技術(shù)(T PPP)，自蔓延高溫合成技術(shù)(SPS) 及球磨 等工藝比較穩(wěn)定，但生產(chǎn)周期長，因而應(yīng) 根

8、據(jù)所需材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用范圍來選 擇不同的制備工藝。 三、TiC- TiB2 復(fù)合陶瓷性能研究 其物相組成和顯微組織 XRD 圖譜表明，陶瓷 基體主要存在著TiC、TiB2、- Al2O3 及- ZrO2 相。掃描點(diǎn)子顯微鏡（SEM ）分析表明, 所得材料組織致密,未發(fā)現(xiàn)氣孔、縮松等燃燒 合成技術(shù)制備材料時(shí)常見的缺陷,組織分布具 有規(guī)律性。通過對(duì)SEM 照片中不同的組織區(qū) 域進(jìn)行X射線能譜儀（EDS） 點(diǎn)分析,結(jié)果表 明,陶瓷主要由TiC 球晶和TiB2 片晶構(gòu)成, 其中 灰色區(qū)域?yàn)門iC 基體,而TiB2 片晶大量分布在 灰色TiC 基體以及少量分布在白色基體上8， 見圖2。 (1)力學(xué)性

9、能 經(jīng)陶瓷性能測試，TiC- TiB2 基復(fù)合陶瓷的相對(duì)密度、Vickers 硬 度、彎曲強(qiáng)度及斷裂韌性分別為99.3%，28.6GPa，615MPa 和 8.5 MPam1/2。TiC- TiB2 基陶瓷相對(duì)密度大于99%，其密度接近 理論密度原因在于，雖然超重力下燃燒合成TiC- TiB2 基復(fù)合陶瓷 的凝固特征為形核控制型的體積凝固，且TiC 結(jié)晶溫度又較高， 但是因在材料制備過程中引入自擠壓工藝，消除了TiC 在封閉空 間內(nèi)發(fā)生體積凝固的傾向，且因TiC 在晶體學(xué)上的各向同性，使 其極易發(fā)育為球晶，并在凝固后期，受超重力的強(qiáng)制補(bǔ)縮效應(yīng)， 低熔點(diǎn)氧化物將充填于縮松、縮孔間，故材料的致密性

10、較高。由 于TiC、WC 室溫硬度較高，故實(shí)驗(yàn)制備的TiC- TiB2 基陶瓷在高 致密性的影響下也具有高的維氏硬度。 至于復(fù)合陶瓷的彎曲強(qiáng)度, 當(dāng)B4C+Ti+C 含量較少時(shí), 分布 于復(fù)合陶瓷基體上的粗大Al2O3 顆粒與TiC- TiB2 基體界面相 容性差,故在外加載荷作用下易剝落而形成裂紋源, 故復(fù)合陶 瓷的彎曲強(qiáng)度較低;但是隨著B4C+Ti+C 含量的增加, 陶瓷中 氧化物含量降低,復(fù)合陶瓷顯微組織均勻、細(xì)化,故彎曲強(qiáng)度 也逐漸升高。受超重力強(qiáng)對(duì)流沖刷效應(yīng)，陶瓷各組織難以長 大，使得材料致密化的同時(shí)又能獲得細(xì)晶組織，故陶瓷基體 得以強(qiáng)化；同時(shí)，由于高強(qiáng)硬的(Ti，W)C 塊狀晶及塑

11、性相 Fe6W7 的存在，在裂紋擴(kuò)展中將誘發(fā)強(qiáng)烈的裂紋偏轉(zhuǎn)增韌機(jī) 制，使得裂紋擴(kuò)展阻力顯著增高，裂紋難以進(jìn)一步擴(kuò)展，如 圖3 中壓痕四角處的短裂紋，從而使材料斷裂韌性得以增加 TiC- TiB2 復(fù)合陶瓷具有比TiC、TiB2 單相陶瓷更 高的強(qiáng)度、斷裂韌性與耐磨性，可作為金屬壓模、 刀具、發(fā)動(dòng)機(jī)與熱交換器的高溫部件等,因而具有 廣泛的應(yīng)用前景。由于燃燒合成技術(shù)及其衍生出 的加壓致密化技術(shù)可以獲得高密度的復(fù)合陶瓷材 料，且在降低成本和顯微組織控制上具有其他制 備技術(shù)所難以具備的優(yōu)勢，目前已成為制備TiC- TiB2 復(fù)合陶瓷的研究熱點(diǎn)；同時(shí)，共晶系復(fù)合陶 瓷因顯微組織細(xì)密、強(qiáng)硬度高，現(xiàn)已成為T

12、iC- TiB2 復(fù)合陶瓷的主要發(fā)展方向 四、四、TiC-TiB2復(fù)合材料的應(yīng)用與展望 通過超重力下燃燒合成工藝制備出不同厚度的 TiC- TiB2細(xì)晶復(fù)合陶瓷，并對(duì)TiC- TiB2陶瓷靶板 進(jìn)行徑向與縱向約束。經(jīng)鎢合金長桿動(dòng)能彈進(jìn)行 彈道測試表明，當(dāng)陶瓷靶板厚度小于時(shí)， 長桿彈侵徹過程僅包括初始撞擊階段和穩(wěn)態(tài)侵徹 階段，使得陶瓷抗動(dòng)能彈侵徹能力較差；當(dāng)陶瓷 靶板厚度大于時(shí)，彈丸的侵徹過程主要 受穩(wěn)態(tài)侵徹與非穩(wěn)態(tài)侵徹（彈丸減速與磨損加速） 控制，使得長桿動(dòng)能彈質(zhì)量與動(dòng)能急劇衰減，進(jìn) 而提升陶瓷靶板的抗侵徹能力。 TiC-TiB2復(fù)合陶瓷具有高硬度、高熔點(diǎn)、高導(dǎo)電率、 耐沖擊、高溫穩(wěn)定性好、密

13、度低等一系列優(yōu)點(diǎn), 與單 相陶瓷材料相比含有TiC 和TiB2 兩相的復(fù)合陶瓷材料 的總體性能有較大的提高, 可以制作耐熱元件、刀具 材料以及成型模具、防護(hù)裝甲、核反應(yīng)堆的第一層防 護(hù)瓦、氣熱噴涂材料、電解鋁中的Hall-Heroult（霍 爾-埃魯）電池陰極等。 加入金屬C u 或C o 的TiC-TiB2復(fù)合陶瓷材料可 以作為 硬質(zhì)合金材料, 甚至可以替代目前廣泛使用的 W C 一C o基金屬陶瓷。同時(shí), 通過制備出高強(qiáng)高導(dǎo) 電陶瓷材料C u 一TiC -TiB2, 拓寬了該材料的應(yīng)用領(lǐng) 域。該材料在高溫方面具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值 研究表明, 在室溫條件下TiC 一Ti B2復(fù)合材料的維氏硬

14、度值 低于純TiC 和TiB2 的維氏硬度值, 然而在600 時(shí), TiC-Ti B2 復(fù)合材料的硬度遠(yuǎn)超過TiC 和Ti B2的硬度1,因而其可以 作為高溫壓縮材料。用B4C 與5w t % Ti 制備的復(fù)合材料, 與B4C 和 一主族金屬(金屬重量占0. 5 一10 % ) 的反 應(yīng)材料相比具有最高的硬度, 可以作為高溫下測量顯維硬度 的壓頭或刻痕計(jì), 用這種材料作為硬度計(jì)壓頭最高測溫達(dá)2 000 , 而且可以多次重新磨而不破壞端部的質(zhì)量皿, 目 前該材料已經(jīng)在俄羅斯得到了應(yīng)用。另外, 利用SHS 燃燒 過程中產(chǎn)生的液相, 進(jìn)行反應(yīng)濺射或直流磁控濺射, 可以得 到相應(yīng)組成的TiC 一Ti

15、B2 復(fù)合材料的薄膜涂層(S H S 涂層) , 在圓筒 狀旋轉(zhuǎn)室內(nèi)繞軸旋轉(zhuǎn)離心澆鑄獲得雙層或 單層陶瓷管, 目前這種技術(shù)已經(jīng)用于工業(yè)生 產(chǎn)。 總之, 努力降低成本, 不斷提高Ti C 一TiB 2 復(fù)合材料的強(qiáng)度、韌性和高溫性能仍是該 材料今后發(fā)展的基本趨勢, 合理選擇制備工 藝以及對(duì)材料組分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)也是影響 材料性能的重要因素, 因而還需要進(jìn)一步的 工作。 五、參考文獻(xiàn) 羅志海,楊潤澤,潘傳增.TiC-TiB2 復(fù)合陶瓷制備及性能研究 2011,9:354-357 曲振生, 趙忠民 , 張龍等. TiC-TiB2 復(fù)合陶瓷制備的研究進(jìn)展2009,9:46-50 朱春城，曲偉，張幸紅等. TiC-TiB2 復(fù)合材料的研究進(jìn)展2003,117（1）48-52 黃雪剛,趙忠民,張龍等.超重力下燃燒合成TiB2- (Ti,W)C 共晶復(fù)合陶瓷結(jié)構(gòu).特種 鑄造與有色金屬,2010,30(7):664667 黃勇,汪長安等.高性能多相復(fù)合陶瓷.北京:清華大學(xué)出版社,2008 楊大智. 智能材料與智能系統(tǒng). 天津: 天津大學(xué)出版社,2 0 0 0 吳科如, 陳兵, 姚武. 碳纖維水泥基材料性能研究.