TiC-TiB2基复合材料的发展现状及其应用 2

1、小组成员：1001130502卞京伟 1001130508高慧聪 1001130424孙德龙 1001130425孙永昌 1001130426王 防 一、一、TiC-TiB2复合材料体系的选择复合材料体系的选择 二、二、TiCTiB2 复合陶瓷的合成与制备复合陶瓷的合成与制备 三、三、TiC- TiB2 复合陶瓷性能研究复合陶瓷性能研究 四、四、TiC-TiB2复合材料的应用与展望复合材料的应用与展望 五、参考文献五、参考文献 一、一、TiC-TiB2复合材料体系的选择 对复相陶瓷的设计主要考虑的是两个(或以上)相之 间在化学性能和物理性能上的匹配, 即两相之间不发 生强烈的化学反应以及在热膨

2、胀系数和弹性模量上 的匹配, 而TiC和TiB2基本满足复相陶瓷的设计要求。另外, R emberg 等研究表明, 晶粒细小的高纯TiB2在高温条件下具 有非常好的抵抗塑性变形的能力, 其断裂韧性达到5MPa m 1/ 2 , 而TiC则相反, 在1000 一1500 可以发生塑性变形, 但通 过加入一定量的B , 由于TiB2 的出现TiC会产生沉淀硬化; 从相图上看,TiB2和TiC的结合在热力学上直到 2500 一直是稳定的; 有研究表明在室温条件下 TiC-TiB2复合陶瓷的维氏硬度为23G Pa , 此值低 于纯TiC 的2 5 .7GPa 和TiB2的28.5G Pa , 然而在

3、600 时,TiC-TiB2复合陶瓷硬度远高于TiC和TiB2 单相的硬度, 这说明TiC-TiB2陶瓷基复合材料是一 种很好的高温结构陶瓷材料, 具有广阔的应用前景。 二、TiCTiB2 复合陶瓷的合成与制备 目前国内外制备TiC- TiB2 复合陶瓷的传统 方法主要有粉末冶金法、瞬间塑性相加工 技术(TPPP)及自蔓延高温合成技术 （SHS），另外还有放电等离子烧结(SPS) 技术和高能球磨技术等。但是以上技术或 因制备成本高，或因性能不足，使得材料 工作者一直追求TiC- TiB2 复合陶瓷的低成 本、高性能且先进的制备方法与工艺。 （1）粉末冶金法 粉末冶金法是很成熟的、传统的制备材料

4、的工 艺技术。直接采用粉末冶金法制备材料的缺点 是混料过程中容易混入杂质而造成界面污染， 目前粉末冶金法的一个最新发展趋势是将粉末 冶金法同原位合成法相结合制备复合材料。颜 冲等采用原位合成法，热压制备了致密的TiC- TiB2- SiC- C 炭/ 陶瓷复合材料，该材料中随着 炭含量的增加，材料的强度降低，而烧结温度 却相应提高。桥本澭彦在1373K通过液相反应 烧结，利用在基质中形成骨架构造提高材料强 度，通过改变原料配比和颗粒得到各种骨架的 Cu-TiC-TiB2复合材料。 （2）瞬间塑性相加工技术(TPPP) 瞬间塑性相加工技术(TPPP)是以金属Ti 为 塑性相，整个过程分2 步进行

5、：第一步是在 中温(800)施加压力使反应物(Ti+B4C)成 形，同时金属Ti 软化，并在实现完全致密 化时激活反应，原位生成目标相，随后在 1600、40MPa 的中等压力下分别采用Ti B4C与TiC0.5-TiB2 作为原始粉末， 完成 TiC- TiB2 与TiC0.6- TiB2- Ti3B2 复合陶瓷的 完全致密与最终成形。该技术的特点在于 制备初期塑性相为Ti 金属，而制备后期则 为TiC0.5。 瞬间塑性相加工技术(TPPP)量消耗低，放热反应 提供高能功率。高能反应在较低的能量点火之后 变成独立的反应。高的燃烧温度会促使杂质挥发， 最后形成高纯度产物。在TiC- TiB2

6、合成物中，由 于这个重要的特色使自蔓延高温合成技术（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技术中应用压力，有可能同时达 到成型和致密的目的。 （3）自蔓延高温合成技术（SHS） 自蔓延高温合成技术（SHS）是利用放热反应合 成新材料的方法，它有以下几个特点：燃烧速度 快，能量消耗低，放热反应提供高能功率。高能 反应在较低的能量点火之后变成独立的反应。高 的燃烧温度会促使杂质挥发，最后形成高纯度产 物。在TiC- TiB2 合成物中，由于这个重要的特色 使SHS 技术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技术中应用压力，有 可能同时达到成型

7、和致密的目的。这种工艺就是 通常所说的高压自蔓延（HPCS）。 Bhaumik6等人以Ti- B4C- C 混合粉末作为起始反 应物料，采用准等静压工艺技术制备的TiC- TiB2 复合陶瓷相对密度分别达到96% 和96.8%。通过 实验Bhaumik等人得出结论：虽然燃烧合成技术 的特点是点火后反应可自行维持，不需要外源加 热，但为了使材料进一步致密，应尽可能维持燃 烧合成的高温特性。 以上各工艺具有不同的特点，其中SHS 工 艺是最节能高效的，但由于速度快而难以 控制反应进程，而瞬间塑性相加工技术(T PPP)，自蔓延高温合成技术(SPS) 及球磨 等工艺比较稳定，但生产周期长，因而应 根

8、据所需材料的性能特点及应用范围来选 择不同的制备工艺。 三、TiC- TiB2 复合陶瓷性能研究 其物相组成和显微组织 XRD 图谱表明，陶瓷 基体主要存在着TiC、TiB2、- Al2O3 及- ZrO2 相。扫描点子显微镜（SEM ）分析表明, 所得材料组织致密,未发现气孔、缩松等燃烧 合成技术制备材料时常见的缺陷,组织分布具 有规律性。通过对SEM 照片中不同的组织区 域进行X射线能谱仪（EDS） 点分析,结果表 明,陶瓷主要由TiC 球晶和TiB2 片晶构成, 其中 灰色区域为TiC 基体,而TiB2 片晶大量分布在 灰色TiC 基体以及少量分布在白色基体上8， 见图2。 (1)力学性

9、能 经陶瓷性能测试，TiC- TiB2 基复合陶瓷的相对密度、Vickers 硬 度、弯曲强度及断裂韧性分别为99.3%，28.6GPa，615MPa 和 8.5 MPam1/2。TiC- TiB2 基陶瓷相对密度大于99%，其密度接近 理论密度原因在于，虽然超重力下燃烧合成TiC- TiB2 基复合陶瓷 的凝固特征为形核控制型的体积凝固，且TiC 结晶温度又较高， 但是因在材料制备过程中引入自挤压工艺，消除了TiC 在封闭空 间内发生体积凝固的倾向，且因TiC 在晶体学上的各向同性，使 其极易发育为球晶，并在凝固后期，受超重力的强制补缩效应， 低熔点氧化物将充填于缩松、缩孔间，故材料的致密性

10、较高。由 于TiC、WC 室温硬度较高，故实验制备的TiC- TiB2 基陶瓷在高 致密性的影响下也具有高的维氏硬度。 至于复合陶瓷的弯曲强度, 当B4C+Ti+C 含量较少时, 分布 于复合陶瓷基体上的粗大Al2O3 颗粒与TiC- TiB2 基体界面相 容性差,故在外加载荷作用下易剥落而形成裂纹源, 故复合陶 瓷的弯曲强度较低;但是随着B4C+Ti+C 含量的增加, 陶瓷中 氧化物含量降低,复合陶瓷显微组织均匀、细化,故弯曲强度 也逐渐升高。受超重力强对流冲刷效应，陶瓷各组织难以长 大，使得材料致密化的同时又能获得细晶组织，故陶瓷基体 得以强化；同时，由于高强硬的(Ti，W)C 块状晶及塑

11、性相 Fe6W7 的存在，在裂纹扩展中将诱发强烈的裂纹偏转增韧机 制，使得裂纹扩展阻力显著增高，裂纹难以进一步扩展，如 图3 中压痕四角处的短裂纹，从而使材料断裂韧性得以增加 TiC- TiB2 复合陶瓷具有比TiC、TiB2 单相陶瓷更 高的强度、断裂韧性与耐磨性，可作为金属压模、 刀具、发动机与热交换器的高温部件等,因而具有 广泛的应用前景。由于燃烧合成技术及其衍生出 的加压致密化技术可以获得高密度的复合陶瓷材 料，且在降低成本和显微组织控制上具有其他制 备技术所难以具备的优势，目前已成为制备TiC- TiB2 复合陶瓷的研究热点；同时，共晶系复合陶 瓷因显微组织细密、强硬度高，现已成为T

12、iC- TiB2 复合陶瓷的主要发展方向 四、四、TiC-TiB2复合材料的应用与展望 通过超重力下燃烧合成工艺制备出不同厚度的 TiC- TiB2细晶复合陶瓷，并对TiC- TiB2陶瓷靶板 进行径向与纵向约束。经钨合金长杆动能弹进行 弹道测试表明，当陶瓷靶板厚度小于时， 长杆弹侵彻过程仅包括初始撞击阶段和稳态侵彻 阶段，使得陶瓷抗动能弹侵彻能力较差；当陶瓷 靶板厚度大于时，弹丸的侵彻过程主要 受稳态侵彻与非稳态侵彻（弹丸减速与磨损加速） 控制，使得长杆动能弹质量与动能急剧衰减，进 而提升陶瓷靶板的抗侵彻能力。 TiC-TiB2复合陶瓷具有高硬度、高熔点、高导电率、 耐冲击、高温稳定性好、密

13、度低等一系列优点, 与单 相陶瓷材料相比含有TiC 和TiB2 两相的复合陶瓷材料 的总体性能有较大的提高, 可以制作耐热元件、刀具 材料以及成型模具、防护装甲、核反应堆的第一层防 护瓦、气热喷涂材料、电解铝中的Hall-Heroult（霍 尔-埃鲁）电池阴极等。 加入金属C u 或C o 的TiC-TiB2复合陶瓷材料可 以作为 硬质合金材料, 甚至可以替代目前广泛使用的 W C 一C o基金属陶瓷。同时, 通过制备出高强高导 电陶瓷材料C u 一TiC -TiB2, 拓宽了该材料的应用领 域。该材料在高温方面具有更广泛的应用价值 研究表明, 在室温条件下TiC 一Ti B2复合材料的维氏硬

14、度值 低于纯TiC 和TiB2 的维氏硬度值, 然而在600 时, TiC-Ti B2 复合材料的硬度远超过TiC 和Ti B2的硬度1,因而其可以 作为高温压缩材料。用B4C 与5w t % Ti 制备的复合材料, 与B4C 和 一主族金属(金属重量占0. 5 一10 % ) 的反 应材料相比具有最高的硬度, 可以作为高温下测量显维硬度 的压头或刻痕计, 用这种材料作为硬度计压头最高测温达2 000 , 而且可以多次重新磨而不破坏端部的质量皿, 目 前该材料已经在俄罗斯得到了应用。另外, 利用SHS 燃烧 过程中产生的液相, 进行反应溅射或直流磁控溅射, 可以得 到相应组成的TiC 一Ti

15、B2 复合材料的薄膜涂层(S H S 涂层) , 在圆筒 状旋转室内绕轴旋转离心浇铸获得双层或 单层陶瓷管, 目前这种技术已经用于工业生 产。 总之, 努力降低成本, 不断提高Ti C 一TiB 2 复合材料的强度、韧性和高温性能仍是该 材料今后发展的基本趋势, 合理选择制备工 艺以及对材料组分进行优化设计也是影响 材料性能的重要因素, 因而还需要进一步的 工作。 五、参考文献 罗志海,杨润泽,潘传增.TiC-TiB2 复合陶瓷制备及性能研究 2011,9:354-357 曲振生, 赵忠民 , 张龙等. TiC-TiB2 复合陶瓷制备的研究进展2009,9:46-50 朱春城，曲伟，张幸红等. TiC-TiB2 复合材料的研究进展2003,117（1）48-52 黄雪刚,赵忠民,张龙等.超重力下燃烧合成TiB2- (Ti,W)C 共晶复合陶瓷结构.特种 铸造与有色金属,2010,30(7):664667 黄勇,汪长安等.高性能多相复合陶瓷.北京:清华大学出版社,2008 杨大智. 智能材料与智能系统. 天津: 天津大学出版社,2 0 0 0 吴科如, 陈兵, 姚武. 碳纤维水泥基材料性能研究.