论文部分内容阅读
碳化钛是一种强共价键陶瓷材料，具有高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、热稳定性好、中子吸收截面小、抗辐照及导热性好等一系列优良性能，在高速机械加工、航空航天及核能系统等领域具有广阔的应用前景，但是目前却面临着烧结温度高及脆性大两方面的难题。本文从降低烧结温度和提高断裂韧性入手，采用放电等离子烧结（SPS）技术对碳化钛陶瓷的烧结行为和性能进行了研究。本文首先研究了碳化钛陶瓷的烧结动力学，根据烧结过程中材料致密度的变化与晶粒生长之间的关系，提出了碳化钛陶瓷的烧结动力学“窗口”。系统研究了SPS工艺参数（烧结温度、压力、速率及保温时间）对碳化钛陶瓷致密化过程及力学性能的影响，发现了烧结温度和压力是决定其致密化和力学性能的主要因素；相比于对碳化钛致密度的影响，保温时间对晶粒生长影响更为显著；在20℃/min和175℃/min烧结速率下获得致密度及力学性能相似的碳化钛烧结体。为了降低碳化钛陶瓷的烧结温度，本文采用了Al2O3、WC两种烧结助剂。不同于前人常用的机械球磨直接引入Al2O3颗粒的方式，本研究采用化学沉淀法以铝的硝酸盐形式向碳化钛粉体中引入了10wt%Al2O3，以原位生成的方式实现了助烧剂在碳化钛颗粒表面的包覆，并在1500℃、50MPa烧结条件下得到几乎完全致密的陶瓷样品，比获得相同致密度纯碳化钛陶瓷的烧结温度降低约100℃。添加3.5wt%WC使碳化钛陶瓷的烧结温度降低了约150℃，采用SEM、XRD、TEM等分析手段，详细阐述了WC的助烧机理，研究了烧结体的硬度、抗弯强度及断裂韧性，结果表明WC对碳化钛基体具有显著的增韧效果，经1600℃烧结后碳化钛样品的断裂韧性达到6.3MPa·m1/2，比相同条件制备的纯碳化钛陶瓷提高了约47%。采用SiC和碳纳米管（CNTs）两种增韧材料来提高碳化钛陶瓷的断裂韧性。从残余应力角度分析了SiC对碳化钛基体断裂韧性的影响；SiC颗粒的添加，使基体断裂模式由沿晶断裂为主转变为穿晶断裂为主，结果显示断裂模式的改变提高了碳化钛基体的断裂韧性。结合超声共沉淀原位成型技术与SPS快速烧结技术，制备出高韧性的TiC-CNTs陶瓷；研究了烧结温度对TiC-1wt%CNTs陶瓷致密化过程及晶粒生长的影响，得出TiC-1wt%CNTs陶瓷的烧结动力学“窗口”。此外，还探讨了CNTs添加量对碳化钛导热性的影响，发现添加2wt%CNTs，可获得35W/m·K的热导率，较碳化钛基体提高了约84%。