SHS反应喷涂TiC-TiB2复相陶瓷涂层的热力学分析与实验

基于SHS反应火焰喷涂技术,在钢基表面制备了TiC-TiB2复相陶瓷涂层.通过对SHS火焰喷涂陶瓷涂层反应体系的设计和其热力学计算,给出了SHS反应火焰喷涂TiC-TiB2复相陶瓷涂层的最佳配系.研究得出,当Ti,B4C和C组成的反应体系按14:3:5摩尔比配制时,SHS反应易实现点火,反应绝热温度高,反应速度快,反应产物为TiC0.7N0 3与TiB2二相构成的共晶体,但其特有的共晶层状结构不明显,为交叉复相结构,陶瓷涂层较致密,机械性能较好,陶瓷与钢基体的结合强度可达27.5 MPa,显微硬度HV达15 270 MPa,耐磨性良好.

Cr_(2)O_(3)添加量对SrAl_(12)O_(19)-Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷力学性能和微观结构影响

以3Y-TZP、α-Al_(2)O_(3)、Sr(NO3)2为基础原料,掺杂了不同含量的Cr(NO_(3))_(3)·9H_(2)O,通过无压预烧和热等静压烧结结合的方式制备了SrO和Cr_(2)O_(3)共掺杂的ZTA复相陶瓷。研究了Cr_(2)O_(3)添加量对SrAl_(12)O_(19)-Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷微观结构和力学性能的影响。XRD衍射谱显示,随着Cr_(2)O_(3)添加量的增多,α-Al_(2)O_(3)和SrAl_(12)O_(19)的衍射峰向左偏移,晶胞参数逐渐增大。结合EDS分析推测,Cr_(2)O_(3)更偏向于进入SrAl_(12)O_(19)的晶格。微观结构显示,Cr_(2)O_(3)的加入促进了晶粒生长。随着Cr_(2)O_(3)添加量的增多,断裂韧性和抗弯强度先上升后下降。当Cr_(2)O_(3)掺杂量为0.50 wt.%时力学性能最佳,其显微硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为18.45 GPa、6.9 MPa·m^(1/2)和910 MPa。

TiB_(2)/B_(4)C复相陶瓷自蔓延热爆炸烧结与性能表征

为了探究高硬度复相陶瓷高效且低成本的制备方法,利用自蔓延高温合成结合爆炸烧结技术,开展制备二硼化钛/碳化硼(TiB_(2)/B_(4)C)复相陶瓷的研究,成功制备厚度约为1 cm、直径约为5 cm的TiB_(2)/B_(4)C复相陶瓷块体。烧结样品物相和微观结构分析表征结果表明:烧结样品中TiB_(2)相和B_(4)C相分布均匀,截面观察到致密的微米级颗粒。该方法制备的样品致密度和硬度较高,随冲击压力不同,致密度范围在90%~93%之间,相应平均维氏硬度为16.64~17.35 GPa;根据不同条件下回收样品的微结构、致密度等分析,冲击压力和起爆时刻生坯温度对TiB_(2)/B_(4)C复相陶瓷烧结质量有重要影响;冲击压力为40 GPa,生坯温度为1800 K时,烧结致密度为93%;为进一步提高烧结质量,应提高冲击压力或冲击波作用时间。研究表明自蔓延热爆炸烧结技术是一种高效且低成本的高硬度复相陶瓷的制备方法。

MgO-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷惰性燃料基质的制备及表征

为了获得致密性高、晶粒尺寸小、两相分布均匀的Mg O-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷惰性燃料基质,首先以Nd(NO3)3·6H_(2)O、C_(12)H_(28)O_(4)Zr为原料,采用sol-gel法合成了有序P型Nd_(2)Zr_(2)O_(7)烧绿石,再和Mg O复合制备了Mg O-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷。利用XRD、SEM-EDS等方法研究了化学组成、烧结时间、烧结温度对复相陶瓷的物相组成、晶粒大小以及致密性的影响。结果表明:采用sol-gel法在1200℃煅烧10 h能够成功合成出结晶良好的Nd_(2)Zr_(2)O_(7)烧绿石。此外,在1500℃烧结24 h,可以制备出致密性高、晶粒分布均匀的Mg O-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷。

Sr_(0.5)Zr_(2)(PO_(4))_(3)-(Ce,Sm)PO_(4)复相陶瓷核废物固化体的制备及化学稳定性

为同时固化高放废物中的模拟放射性核素Sr、Ce和Sm,采用一步微波烧结工艺成功制备了Sr_(0.5)Zr_(2)(PO_(4))_(3)-(Ce,Sm)PO_(4)复相磷酸盐陶瓷固化体,采用XRD、Raman、SEM-EDS和密度表征研究了其物相组成、微观结构以及致密性,并利用PCT法评估了化学稳定性。结果表明:Sr_(0.5)Zr_(2)(PO_(4))_(3)相和(Ce,Sm)PO_(4)独居石相兼容性好,两相间不发生相互反应;所制备的复相陶瓷固化体晶粒尺寸小,相对密度高于96%,改变Sm/Ce比对固化体的微观结构和致密性无明显影响;PCT测试结果表明Sr、Ce和Sm的元素归一化元素浸出率都较低,与单相磷酸盐陶瓷固化体相比,复相磷酸盐陶瓷固化体具有较为优异的化学稳定性。

自蔓延反应火焰喷涂TiC-TiB_2复相陶瓷涂层的水淬熄试验

用水淬熄法研究了Ti-B4C-C系自蔓延高温合成(SHS)反应火焰喷涂TiC-TiB2复相陶瓷涂层的反应过程与机理。结果表明,在喷涂过程中喷涂团聚颗粒各组元间、各组元与环境间存在多种反应的竞争,团聚颗粒飞行距离不同,反应得到的产物不同。喷涂的最佳距离为180mm,此处获得的球形粒子(陶瓷液滴)数量最多,团聚粉熔融最充分,获得的球形陶瓷液滴数量最多,形成的目标产物最理想。陶瓷液滴的形成始于钛粉的熔化,并通过扩散和毛细管作用向B4C和C颗粒渗透和浸润,经过自蔓延反应能量积累,最后SHS爆燃完成。当陶瓷液滴遇水淬熄后将以柱状方式结晶成毛线团状,可以用熔渣正规离子溶液模型描述液滴的结构。

TiC-TiB_2复相陶瓷的氧化行为研究

对自蔓延高温合成法制备的TiC-TiB2复相陶瓷的氧化行为及机理进行了研究.结果表明:在低于1000℃范围内,随氧化温度和时间的增加,氧化增重符合抛物线规律;在600℃时,TiB2首先被氧化成TiO2,在1000℃时TiB2、TiC均被氧化成TiO2,表面形成致密的TiO2氧化膜,阻止内部继续发生氧化,这表明该材料具有较好的高温抗氧化能力.

ρ-Al_(2)O_(3)复合铝酸钙水泥烧结助剂对多孔碳化硅陶瓷性能的影响

为了提高多孔碳化硅陶瓷的性能,以绿碳化硅为主原料,石墨为造孔剂,用铝酸钙水泥(CAC)和水合氧化铝(ρ-Al_(2)O_(3))配制成复合烧结助剂(ρ-Al_(2)O_(3)-CAC),经1450℃保温3 h,制备多孔碳化硅陶瓷。研究了ρ-Al_(2)O_(3)-CAC加入量(加入质量分数为2.5%~20%)对多孔碳化硅陶瓷物相组成、显微结构和性能的影响。结果表明:1)ρ-Al_(2)O_(3)-CAC能促进碳化硅的氧化,并与碳化硅氧化生成的SiO_(2)发生原位反应,形成玻璃-莫来石复相结合,同时还在结合相中引入气泡,气泡会随ρ-Al_(2)O_(3)-CAC加入量的增加而长大;2)当ρ-Al_(2)O_(3)-CAC的加入量为12.5%(w)时,制得的多孔碳化硅陶瓷综合性能最佳,其显气孔率为39.1%,室温弯曲强度为39.3 MPa,透气度为26.74 m^(3)·h^(-1)·kPa^(-1)·m^(-2),抗热震性最优。

闪烧致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的微观结构及力学性能

以α-Al_(2)O_(3)和氧化钇稳定氧化锆粉体为原料,无压烧结制备致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷,在临界电场下进行热处理后,对Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的微观结构和力学性能进行研究。结果表明:在900 V/cm的电场下,烧结致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷的闪烧起始炉温为308℃。在炉温为1200℃、电场为700 V/cm的条件下,闪烧致密Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)复相陶瓷原位合成Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶结构。闪烧陶瓷主要分为复相区、过渡区和共晶区3个区域。复相区的微观结构与烧结陶瓷相似,形状不规则的Al_(2)O_(3)和ZrO_(2)相均匀分布;过渡区晶粒异常长大,粗大的Al_(2)O_(3)和ZrO_(2)相均匀分布;共晶区则呈现典型的Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶结构。共晶区的维氏硬度和韧性分别为17.94 GPa和3.51 MPa·m^(1/2),与采用定向凝固技术制备的Al_(2)O_(3)-ZrO_(2)共晶陶瓷的力学性能相当。

Al对反应火焰喷涂TiC-TiB_2复相陶瓷涂层的影响

通过静态燃烧合成试验,确定以Ti-B4C-C+5wt％Al为喷涂反应体系,利用反应火焰喷涂技术在金属表面制备Ti(C0.7,No．3)-TiB2-Al2O3复相陶瓷涂层．研究发现,涂层为复相非均质层状亚稳结构,由TiC0.7N0．3、TiB2、Al2O3和钛的氧化物相及气孔组成．涂层组织可分为三类: TiB2尺度在微-纳米级呈团簇状分布的Ti(C0.7, No．3)-TiB2共晶体组织; Ti(C0．7,No．3)呈块状颗粒、尺寸1-2μm、其间分布着针状或长条状TiB2的组织;黑色不规则气孔．三类组织的形成原因与不加Al时基本相同,但Al的加入使喷涂体系的反应速率提高,并使涂层陶瓷相增多,组织细化,气孔率下降,显微硬度提高．

TiC-TiB_2复相陶瓷的自蔓延高温合成研究

以Ti、B和C粉末为原料 ,采用SHS/PHIP工艺制备了不同组份的TiC TiB2 复相陶瓷 ,通过试验研究了复相陶瓷的微观结构特征和力学性能。结果表明 ,SHS反应产物纯净 ,TiC TiB2 复相陶瓷中只有TiC和TiB2两相存在 ;随着TiB2 含量的增加 ,复相陶瓷中TiC颗粒尺寸变小 ,而TiB2 颗粒有异常长大现象 ;TiC TiB2 复相陶瓷的相对密度、硬度和横向断裂强度均随TiB2 含量的增加呈先增后减趋势 ;当TiB2 与TiC的重量比为 6 0 %时 ,该复相陶瓷的横向断裂强度和断裂韧度分别为 5 76MPa和 5 4 5MPa·m1 / 2 ,而相对密度达到 99 4 %。

基于B_4C-Ti-Ni体系反应合成TiC-TiB_2-Ni复相陶瓷

在超高重力场条件下,以B4C-Ti-Ni为反应体系,合成制备TiC-TiB2-Ni复相陶瓷。XRD和FESEM分析结果表明,反应燃烧充分,所得陶瓷基体由TiB2片晶相、不规则TiC相和Ni相构成。燃烧反应放热,促使反应物熔化生成Ti-C-B-Ni液相产物。待反应结束后,TiB2、TiC先后从陶瓷熔体中凝固形核、析出,而Ni相最后凝固,并对陶瓷基体补缩。随着Ni添加量的增加,陶瓷基体显微组织细化,且均质化水平极大提高,同时,陶瓷的相对密度、断裂韧性和弯曲强度逐渐增大,当Ni添加量为20mass%时,陶瓷性能最佳,分别为97.8%、13.1MPa獉m0.5及693MPa。其维氏硬度先升高后降低,当Ni的添加量为15mass%时,达到最高值,为18.6GPa。

一步法制备MgO-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)复相陶瓷惰性燃料基材的热物理性能

MgO-Nd_(2)Zr_(2)O_(7)(M-NZO)复相陶瓷作为一种潜在的惰性燃料基材,可以用于替代(U,Pu)O_(2)混合氧化物燃料中的UO_(2),并将PuO_(2)弥散在其中以制备惰性基材燃料。本文采用一步法在1500℃烧结24 h制备了M-NZO复相陶瓷,在物相组成、微观形貌的分析基础上,系统研究了其热导率和热膨胀系数等热物理性能。结果表明利用一步法制备的M-NZO复相陶瓷仅由MgO和Nd_(2)Zr_(2)O_(7)烧绿石两相组成,两相的平均晶粒尺寸为0.75μm和0.70μm,且制备的复相陶瓷结构致密、孔隙率低。热物理性能测试结果表明一步法制备的M-NZO复相陶瓷在1400℃时的热导率是UO_(2)陶瓷的2.1~3.8倍,且在测试温度范围内,一步法制备的M-NZO复相陶瓷具有更加优异的热导率,在高温下(800℃)比文献中采用两步法制备的M-NZO复相陶瓷高出约2 W·m^(-1)·K^(-1)。热膨胀方面,一步法制备的M-NZO复相陶瓷的热膨胀系数为12.3×10^(-6)~14.1×10^(-6)/K,与两步法制备的M-NZO复相陶瓷热膨胀系数相当。此外,M-NZO复相陶瓷的热导率和热膨胀系数均随MgO含量的增大而变高,结合理论最小热导率计算结果可以得出,最佳的M-NZO复相陶瓷化学组成为0.5M-0.5NZO。以上结果表明,一步法制备的M-NZO复相陶瓷具有优异的热导率和稳定的热膨胀性能,为其在惰性基材燃料中的应用提供了更多的选择和热物理性能基础数据上的支持。

绝热燃烧温度对TiC-TiB_2复合陶瓷物相及组织的影响

以B4C粉、Ti粉、CrO3粉以及Al粉为原料,采用超重力下自挤压辅助燃烧合成技术,以快速凝固方式制备出不同绝热燃烧温度的TiC-TiB2复合陶瓷。XRD、FESEM与EDS结果表明,TiC-TiB2复合陶瓷基体主要由片状的TiB2晶粒构成,同时在TiB2基体间还分布着少量不规则的TiC,(Ti,Cr,Al)C1-x及Al2O3残余夹杂物。随着绝热燃烧温度的升高,Al2O3的含量先减少后增加,(Ti,Cr,Al)C1-x的含量逐渐增加,TiB2与TiC的含量基本不变。

燃烧合成制备C_f/TiC-TiB_2复相陶瓷的可行性分析

拟制备碳纤维补强增韧的TiC-TiB2陶瓷基复合材料,实验前理论分析了TiC、TiB2和碳纤维三相间的物理匹配性和化学共存性,对工艺的可行性进行了详细阐述。分析结果表明燃烧合成制备Cf/TiC-TiB2复相陶瓷制工艺合理,符合复合材料的设计原则。

闪烧恒流保持时间对MgO-Y_(2)O_(3)复相陶瓷力学性能的影响

随着红外技术的应用和发展,红外窗口材料需要具备更高的性能。MgO-Y_(2)O_(3)复相陶瓷相比单一相Y_(2)O_(3)陶瓷具有更好的力学性能和更高的抗热冲击品质因子,同时兼具良好的光学透过性。但传统的烧结技术均需在高温高压下才能完成,这不利于通过获得细小的晶粒来提高性能。而闪烧具有烧结温度低,烧结速度快,保温时间短等特点,所获得的材料晶粒更加细小,性能更好。将闪烧用于制备MgO-Y_(2)O_(3)复相陶瓷,其性能有望得到进一步提高。实验结果表明:闪烧4到9s后,功率密度维持在700mW/mm3左右;随着恒流保持时间的增加,相对密度、维氏硬度逐渐增加,平均晶粒尺寸先减小后增大,断裂韧性先增加后减小。当恒流保持时间为62s时,相对密度和维氏硬度均达到最大值,分别为94.13%和7.87GPa;当恒流保持时间为25s时,晶粒尺寸达到最小值0.39μm,断裂韧性达到最大值1.99MPa·m1/2。

TiC-TiB_2复相陶瓷的制备及其抗氧化性

以Ti、B4C和C粉末为原料,采用自蔓延高温合成与同时致密化工艺(SHS/PHIP)制备合成了TiC-TiB2复相陶瓷。氧化实验研究表明,随着温度的升高,材料表面发生氧化并出现明显的氧化增重现象,低温时TiB2优先于TiC而首先发生氧化,当温度达到1000℃时完全氧化,表面形成致密的TiO2氧化膜,阻止内部继续发生氧化,表明该材料具有较好的高温抗氧化能力。

原位合成TiB_2-TiC_(0.8)-SiC复相陶瓷的微观组织与性能研究

利用热压烧结方法原位合成了TiB2-TiC0.8-SiC复相陶瓷。通过光学显微镜(OM)、X射线衍射分析仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对材料物相组成和微观结构进行表征。研究了热压条件下烧结温度对材料物相组成、结构及力学性能的影响。结果表明:烧结温度在1700-1950℃范围内,随着温度的升高,材料的致密度、抗弯强度和断裂韧性都有显著改善。烧结温度为1900℃可得到完全致密的原位合成TiB2-TiC0.8-SiC复相陶瓷,材料的晶粒发育比较完善,条状TiB2和块状TiC0.8晶粒清晰可见。复合材料的维氏硬度、断裂韧性和弯曲强度分别达到23.6 GPa,(7.0±1.0)MPa.m1/2和470.9 MPa。当温度达到1950℃时,由于增强相TiB2晶粒长大,材料的强度降低。TiB2、TiC0.8与SiC颗粒协同,通过裂纹偏转、晶粒拔出、晶粒细化等机制对复合材料起到颗粒增强增韧的作用。

纳米/微米Al_2O_3-ZrO_2内衬复相陶瓷的自蔓延高温合成

采用SHS重力分离技术制备出内衬Al2 O3 ZrO2 复相陶瓷。复相陶瓷基体主要由纤维状 (Al2 O3 +ZrO2 )共晶体组成 ,其中共晶体的ZrO2 纤维直径达到纳米 /微米尺度。经Vickers压痕法测试其断裂韧度为1 5 96MPa·m1 / 2 ,SEM观察和陶瓷材料断裂韧度测试得出裂纹的扩展主要受共晶体中Al2 O3 ZrO2 纳米 /微米相增韧机制控制 ,迫使裂纹沿共晶体边界或层片共晶体Al2 O3 ZrO2 相界偏转 。

ZrO_2—Al_2O_3复相陶瓷的研究

以纳米ZrO 、微米Al O 为原料,采用无压烧结方式制备了ZTA 复相陶瓷。结果表明:nano-ZrO 的 2 2 3 2加入有利于制备细晶ZTA 复相陶瓷。此外,nano-ZrO 的加入对 Al O 陶瓷的显微结构也产生影响,ZrO 颗粒以 2 2 3 2“晶内型”和晶界型两种形式存在。合理的配方组成及制备工艺有利于 Z r O 以四方亚稳相存在。Z r O 含量为 2 23 0 w t % 时,其四方相含量可达 6 9 %,有利于应力诱导相变增韧,该 Z T A 复相陶瓷的抗弯强度、断裂韧性分别达到 604MPa、6.87MPa·m1/2。