Al-Ti-Zr-C-B-,4-C體系的燃燒合成及其復(fù)合材料研究.pdf

1、過(guò)渡金屬碳化物或硼化物具有高熔點(diǎn)、高硬度、耐磨性好等特點(diǎn)，通常作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體。然而，對(duì)于這類高熔點(diǎn)陶瓷在非平衡合成過(guò)程中的生長(zhǎng)機(jī)理研究較少。本文以Al-Ti/Zr-C/B4C為研究對(duì)象，分析了燃燒合成TiC/ZrC/ZrB2的反應(yīng)熱、動(dòng)力學(xué)，著重研究了燃燒模式以及Al含量對(duì)合成組織和生長(zhǎng)機(jī)制的影響，探討了ZrC/TiC晶體的生長(zhǎng)機(jī)理。為了彌補(bǔ)燃燒合成技術(shù)難以制備致密結(jié)構(gòu)材料的不足，采用電場(chǎng)激發(fā)與壓力輔助燃燒合成(Field-act

2、ivated and pressure assistedcombustion synthesis，F(xiàn)APACS)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了TiC/Al復(fù)合材料的原位合成與同步致密一體化，并研究了材料的摩擦磨損性能。
　　 通過(guò)系統(tǒng)研究，本文得出如下主要結(jié)論：
　　 通過(guò)對(duì)Al-Zr-C、Al-Ti-C和Al-Zr-B4C體系中各反應(yīng)的吉布斯自由能計(jì)算表明，ZrC、TiC以及(ZrC+ZrB2)分別是各體系中的熱力學(xué)最穩(wěn)定相。
　

3、　 對(duì)Al-Zr-C、Al-Ti-C和Al-Zr-B4C體系的絕熱燃燒溫度Tad的計(jì)算表明，隨著Al含量的增加，Tad逐漸降低，當(dāng)Al含量分別為35.4％、46.4％和41.4％時(shí)，體系Tad達(dá)到臨界值1800K，反應(yīng)無(wú)法自動(dòng)持續(xù)。
　　 Al-Zr-C和Al-Ti-C體系在DTA/DSC條件下的反應(yīng)機(jī)制為：首先，Al與Zr/Ti通過(guò)固相反應(yīng)形成ZrAlx/TiAlx(x=1，3)金屬間化合物，當(dāng)溫度達(dá)到Al的熔點(diǎn)后，Al熔化

4、形成液相促進(jìn)Zr/Ti原子在熔體中的擴(kuò)散，并發(fā)生固液反應(yīng)形成大量的ZrAlx/TiAlx，該固液反應(yīng)放出大量熱促使ZrAlx/TiAlx與C的繼續(xù)反應(yīng)生成更穩(wěn)定的ZrC和TiC。Al不僅作為稀釋劑，而且參與反應(yīng)，從而改變了Zr-C體系和Ti-C體系的反應(yīng)機(jī)制。
　　 對(duì)于Al-Zr/Ti-C體系，在SHS和TE模式下，隨著Al含量的增加，合成ZrC/TiC晶粒尺寸明顯減小，并且形貌也發(fā)生了顯著的變化。相比之下，SHS反應(yīng)更徹底，

5、而TE合成產(chǎn)物ZrC/TiC的晶粒尺寸更細(xì)小。
　　 對(duì)于Al-Zr-B4C體系，燃燒行為分為四個(gè)階段，即預(yù)熱、固-固反應(yīng)、固-液反應(yīng)以及冷卻階段，并且由于B4C與ZrAl3發(fā)生反應(yīng)而出現(xiàn)“后燒”現(xiàn)象。隨著Al含量的增加，體系的燃燒溫度和燃燒波速度均明顯降低，且合成的ZrB2和ZrC晶粒尺寸明顯減小，形貌變化顯著。相比之下，ZrB2的品粒尺寸大于ZrC品粒。
　　 ZrC/TiC晶體生長(zhǎng)機(jī)制均表現(xiàn)為臺(tái)階側(cè)向生長(zhǎng)方式，具有

6、小面晶體光滑生長(zhǎng)模式。對(duì)于六邊形的ZrC生長(zhǎng)機(jī)制為：六邊形的ZrC晶核形核并長(zhǎng)大單層六邊形ZrC薄片，單層的ZrC六方形薄片在{111}面內(nèi)通過(guò)二維形核側(cè)向生長(zhǎng)模式沿[110]生長(zhǎng)，最后，單層ZrC沿[111]方向以層狀生長(zhǎng)模式生成一個(gè)完整的六方形晶體。合成的八面體TiC則是通過(guò)Ti-C6生長(zhǎng)基元在{111}面通過(guò)二維形核方式不斷堆垛而成的。
　　 利用Gleeble熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)Al含量為30wt％的Al-Ti-C粉末進(jìn)行電場(chǎng)