以稻殼為SiO-2源制備SiO-2Ti復(fù)合材料及其強(qiáng)化機(jī)制研究

以稻殼為SiO_2源制備SiO_2/Ti復(fù)合材料及其強(qiáng)化機(jī)制研究稻殼每年產(chǎn)量十分巨大,常被當(dāng)作農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行處理,造成環(huán)境污染和資源的浪費(fèi)。稻殼富含SiO₂,而Si又是高性能鈦材料的重要元素之一,因此充分利用廢棄稻殼,以其為SiO₂源制備高強(qiáng)度鈦基復(fù)合材料并探索其強(qiáng)化機(jī)理意義重大。本文首先采用檸檬酸液對(duì)稻殼進(jìn)行了酸洗處理,通過差示掃描量熱法（DSC）結(jié)合動(dòng)力學(xué)計(jì)算確定了稻殼的熱分解過程及動(dòng)力學(xué)參數(shù),并利用碳硫分析儀、XRD、XPS分析了稻殼熱解產(chǎn)物的成分。隨后,采用熱壓燒結(jié)法制備了稻殼SiO₂/Ti和對(duì)應(yīng)比例的Si/Ti、TiO₂/Ti復(fù)合材料,分別研究了Si、O含量對(duì)復(fù)合材料晶格畸變及硬度的影響;討論了SiO₂/Ti復(fù)合材料的強(qiáng)化機(jī)制。最后,研究了SiO₂含量對(duì)復(fù)合材料致密度、顯微組織、硬度與摩擦磨損性能的影響。本文得到的主要結(jié)論如下:1.稻殼的熱分解過程可分為5個(gè)階段:失自由水階段（80℃以下）、失結(jié)晶水階段（80～250℃）、熱解碳化階段（250～360℃）、碳燃燒階段（360～600℃）和穩(wěn)定階段（600℃以上）。250～360區(qū)間失重最快,失重率最大,為46%;反應(yīng)活化能也最高,為77.13kJ·mol-1。酸洗后的稻殼在大氣條件下進(jìn)行900℃的充分熱解后的產(chǎn)物為高純的非晶態(tài)SiO₂,碳含量為0.17wt.%,球磨4h后平均粒徑為10.42μm。2.SiO₂/Ti復(fù)合材料中,當(dāng)SiO₂含量不超過1.00wt.%時(shí),SiO₂除極少數(shù)殘留在粉末的原始顆粒邊界（PPB）外,其余的Si、O元素均以固溶形式存在于Ti基體中,復(fù)合材料由單一的鈦基固溶體組成。當(dāng)SiO₂含量為2.00wt.%時(shí),鈦基體晶粒的晶界上有少量的TiSi2顆粒生成。3.在硅氧的固溶范圍內(nèi),O的間隙固溶使得α-Ti的晶格膨脹,晶格常數(shù)與O含量的關(guān)系為:C[O]wt%=4.684+0.046.O%,a[O]wt%=2.953+0.014·O%;Si的置換固溶使得α-Ti的晶格收縮,收縮量Δc[Si]wt%=-0.050.Si%,Δa[Si]wt%=-0.020.Si%（Si%≤0.468wt.%）。4.Si元素對(duì)金屬Ti的置換固溶強(qiáng)化效應(yīng)顯著弱于O元素的間隙固溶強(qiáng)化效應(yīng)。金屬Ti的硬度與Si、O含量（wt.%）的關(guān)系可表示為:HV=178.86+209.43·O%+98.50·Si%（Si%<0.468wt.%）。5.與純鈦相比,SiO₂/Ti復(fù)合材料的耐磨性有了顯著提高。在硅氧的固溶范圍內(nèi),SiO₂