TiB<,2>-AlN复相陶瓷的制备与性能研究

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TiB2陶瓷具有优良的物理化学性能和机械力学性能,它除了具有非常高的硬度和弹性模量外,还表现出一系列良好的特性——导电性、高熔点、耐磨损、重量轻以及高的化学稳定性,其应用前景十分广阔。但是TiB2材料较高的制作成本以及较差的烧结性为制备带来了困难,同时TiB2的常温脆性阻碍了它的实际应用。本文选择AlN为第二相,采用热压法制备TiB2-AlN复相陶瓷,研究了不同的AlN含量和烧结工艺对材料机械性能的影响,分析了材料显微结构和性能之间的关系,并研究了不同的烧结助剂对TiB2-AlN材料性能的影响。AlN的加入可以明显提高材料的烧结性能,在AlN含量为0-30vol.%变化时,材料的相对密度都达到96%以上,可以发现在AlN含量时5vol.%得到材料的相对密度最高,达到97.2%。随着AlN含量的增加,材料的机械性能先上升后下降,在5vol.%含量时,性能最好。选择相同AlN含量和纵向压力(30MPa)研究了烧结温度(1700℃-1900℃)和保温时间(0.5h-3h)对烧结过程的影响,当烧结温度升高时,材料的硬度和弯曲强度是先增大后减小,延长保温时间也得到相同的规律。得到实验结果为:在烧结温度为1800℃,保温时间为1小时,AlN含量为5vol.%时,可以得到显微硬度为23.3GPa;弹性模量和抗弯强度分别为461GPa和648MPa;材料的断裂韧性达到6.91 MPa·m1/2。Y2O3和NbB2做为烧结助剂都可以提高TiB2-5vol.%AlN的相对密度,但Y2O3的加入使得TiB2-AlN材料的机械性能有了明显的下降,添加NbB2到材料中可以使其相对密度达到98.7%,并提高了材料的机械性能,在添加量为5vol.%时复合材料可以获得682MPa的抗弯强度和7.06 MPa·m1/2的断裂韧性值。显微结构研究表明:TiB2颗粒大小比较均匀,AlN比较均匀的分散在TiB2基体中,AlN会与TiB2原粉表面的氧化层反应,会在AlN和TiB2界面处生成TiN和BN等相。Y2O3和NbB2的加入都可以得到更细的晶粒,但Y2O3的加入对导致脆性玻璃相的产生,不利于材料机械性能的提高,NbB2可以更均匀的分布在TiB2颗粒的周围,有效提高材料的相对密度和机械性能。
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