二硼化钛是新兴的工程陶瓷材料之一,具有硬度高、弹性模量高、熔点高、耐磨性好以及导热、导电性优良等特性,可被广泛应用于切割刀具、防弹装甲、晶粒细化剂、耐高温涂层、电池电极以及电解槽等领域。传统的碳热还原法合成二硼化钛粉体多以硼酸或碳化硼作为硼源。硼酸受热易挥发,不仅会造成配方失准,最终产物会有其他相生成,而且会对炉膛造成酸蚀。而碳化硼价格昂贵,高温合成的粉体粒径分布广泛,需要进一步细化处理。能否降低产物提纯和研磨带来的额外成本是TiB2粉体工业化生产面临的难题。二硼化钛自扩散系数低,在常压下难以实现致密化烧结。碳化硅具有优良的力学和热学性能,其无压烧结技术日趋成熟。在TiB2基体中引入SiC作为第二相并添加合适的烧结助剂,可以在兼具二者优异性能的同时,减小二硼化钛烧结的扩散阻力,获得较为致密的TiB2-SiC复合材料。本文以Ti02、HB02、B4C和炭黑为原料,对传统的碳热还原工艺进行优化。系统的研究了硼源含量、煅烧制度和碳源种类对Ti02-HB02-C体系与Ti02-B4C-C体系合成TiB2粉体物相组成和显微结构的影响。研究结果说明:当煅烧制度为1700℃ 保温 30min 时,30.4wt%TiO2+46.7wt%HBO2+22.9wt%炭黑,即偏硼酸在化学计量配比上过量40wt%的配方能制备出结晶度良好、纯度较高的典型六方TiB2粉体,晶粒平均尺寸约10μm。当锻烧制度为1600℃保温30min时,61.0wt%TiO2+25.3wt%B4C+13.7wt%炭黑,即碳化硼在化学计量配比上过量20wt%的配方能备出粒径均一、纯度较高的TiB2粉体,晶粒尺寸约为0.5-1μm。利用以上两种体系制备TiB2粉体时,相对于石墨和活性炭,以炭黑为碳源合成的TiB2粉体晶粒发育完好,结晶度更高。以二硼化钛和碳化硅粉体为原料,选取酚醛树脂(PF)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为添加剂,通过无压烧结技术制备了 TiB2-SiC复合材料。确定了无压烧结复相陶瓷的最佳原料组成,探索了烧结制度对烧结体力学性能和热学性能的影响。实验结果说明:无压烧结TiB2-SiC复合材料的最佳原料组成为75wt%TiB2+25wt%SiC+ 15wt%PF+0.2wt%PVP。当烧结温度为 2100℃,保温时间为 60min 时,复相陶瓷的弯曲强度和断裂韧性均能达到峰值,分别为209.5MPa和4.6MPa.m1/2。此时陶瓷的硬度为29.3GPa,热导率可达32.3W/(m·K)。当烧结温度低于2100℃,保温时间少于60min时,由于温度提供的烧结扩散能难以完全克服晶界阻力,热传导时间不够导致温度场不均,陶瓷的致密化程度不够充分,从而相应的力学和热学性能不甚理想。当烧结温度高于2100℃,保温时间超过60min时,会发生晶粒的异常长大甚至过烧,进而使得陶瓷的性能有所下降。在优选的配方和煅烧制度的基础上,研究了不同石墨烯添加量对烧结体力学性能和热学性能的影响,并分析了复相陶瓷的增韧机理与导热机制。当石墨烯含量从0增加至5wt%时,复相陶瓷弯曲强度和热导率在石墨烯含量为2wt%达到峰值点,分别为301.3MPa和35.4W/(m·K)。断裂韧性在石墨烯含量为3wt%时达到峰值点,为5.7MPa·m1/2。通过对添加不同含量石墨烯制备的复相陶瓷断面进行显微结构分析可知:在复相陶瓷中添加石墨烯,可以形成层状撕裂结构,这种起伏结构能使得断裂过程中层与层之间发生相互滑动从而消耗更多的能量,延缓裂纹扩散。当石墨烯含量超过3wt%时,晶粒间的紧凑结构明显遭受到了弥散石墨烯的破坏,从而造成内部缺陷,使得力学性能有所降低。复相陶瓷的热导率先上升后下降,在含量为2wt%时达到峰值点是因为在石墨烯含量增加至2wt%的过程中,陶瓷中自由移动的电子数随石墨烯的引入而增加,等同于开辟了新的等效声子通道。当石墨烯含量超过2wt%时,试样内部气孔率上升,传热过程中声子散射占主导地位。