纳米ZrC粉末的制备研究

论文摘要

本文以ZrO2、炭黑、Mg为原料,首先对球磨-反应烧结工艺参数进行研究。分别研究了球磨及烧结过程中的球磨时间、球料比、烧结温度、烧结时间等因素对生成物的影响,其次对比研究直接烧结法与球磨-反应烧结法制备ZrC粉末。最后对球磨-反应烧结法制备的ZrC粉末进一球磨细化,初步研究了细小的粉体在继续球磨过程中的变化。利用XRD、SEM等检测手段,对实验过程中的粉末成分和形貌进行观察,结果表明:球料比为40:1,球磨时间为72h时,球磨效率高。行星式球磨过程中,主要为粉末的细化及粉末间的相互扩散,反应活性的提高,没有新相生成,ZrC是在烧结过程中生成的。球磨后的粉末在1373K烧结保温4h所得产物是较纯的ZrC粉末。原料粉末压条后在1373K直接烧结,即使保温时间较长也很难得到较纯的ZrC粉末。对利用球磨-反应烧结法制备的未酸洗产物进一步球磨细化,发现球磨初期ZrC的峰强减弱趋势较大,球磨48h后ZrC的峰强基本不变,此时,ZrC（111）的晶粒尺寸为13.3nm,半峰高宽增加约50%,球磨过程中粉末的颗粒粒度没有明显变化。球磨过程中粉末发生反复的变形,冷焊和破碎,内部形成了高密度的缺陷,粉末的细化产生了大量的纳米晶界,这些因素使系统的自由能提高,使C存在于这些位置,可形成过饱和的ZrO2的固溶体,使扩散距离大大缩短,为扩散提供了动力。以ZrO2为锆源在烧结过程中可生成MgO和ZrC两相,MgO作为一种硬质相,能够有效的抑制ZrC粉末的晶粒生长,并且可以有效的阻止ZrC的团聚,生成物经过酸洗可以除去MgO、未反应的Mg及其他杂质,可得到纯度较高的ZrC粉末。置换反应过程中,形成了高活性的Zr元素。同时置换反应本身也可以释放一定的热量,因而在较低的温度下即可生成ZrC。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 ZrC的基本结构及特性
• 1.1.1 ZrC的基本结构
• 1.1.2 ZrC的基本特性
• 1.2 ZrC的应用
• 1.2.1 ZrC在复合材料中的应用
• 1.2.2 ZrC在涂层材料中的应用
• 1.2.3 ZrC在纺织工业的应用
• 1.3 ZrC的制备方法
• 1.3.1 碳热还原法
• 1.3.2 直接碳化法
• 1.3.3 化学气相沉积法
• 1.3.4 自蔓延燃烧合成法
• 1.3.5 液相先驱体转化法
• 1.3.6 机械合金化法
• 1.3.7 工业制备ZrC的方法
• 1.3.8 其它方法
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 课题研究的技术路线
• 第二章 实验设备、原理和分析技术
• 2.1 所用实验设备
• 2.1.1 行星式球磨机
• 2.1.2 行星式球磨原理
• 2.1.3 行星式球磨机最佳参数的理论基础
• 2.1.4 机械力作用及其特征
• 2.1.5 管式炉
• 2.2 实验分析技术
• 2.2.1 X射线衍射分析
• 2.2.2 扫描电子显微分析
• 2.2.3 微粒尺寸分析
• 第三章 球磨及烧结过程中工艺参数的研究
• 3.1 引言
• 3.2 球磨参数
• 3.2.1 装球量与球料比
• 3.2.2 球磨时间
• 3.2.3 过程控制剂
• 3.2.4 球磨气氛
• 3.2.5 球磨介质和磨球直径
• 3.3 烧结反应参数
• 3.3.1 热力学分析
• 3.3.2 烧结温度
• 3.3.3 烧结时间
• 3.4 本章小结
• 第四章 ZrC粉末的制备及细化
• 4.1 引言
• 4.2 实验原料
• 4.3 直接烧结
• 4.3.1 实验过程
• 4.3.2 实验结果与分析
• 4.4 机械球磨-反应烧结
• 4.4.1 球磨过程
• 4.4.2 球磨结果与分析
• 4.4.3 球磨后烧结结果
• 4.5 对球磨-烧结反应产物进一步球磨细化
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间发表的论文
• 致谢