天然钛铁矿碳热、铝热原位合成金属基复合陶瓷的研究

论文题目: 天然钛铁矿碳热、铝热原位合成金属基复合陶瓷的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料物理与化学

作者: 吴一

导师: 周浪,邹正光

关键词: 钛铁矿,原位合成,金属基复合陶瓷

文献来源: 南昌大学

发表年度: 2005

论文摘要: TiC／Fe和TiC-Al2O3／Fe金属基复合陶瓷作为工具材料和耐磨材料表现出非常优良的性能。但目前常规的粉末冶金方法使得材料的制备成本很高，同时由于制各方法造成的硬质相与粘接相界面的污染，严重影响材料的力学性能，进而制约了这两种金属基复合陶瓷的广泛应用。发展新的制备技术，降低成本，进一步提高金属基复合陶瓷的性能，对推广其应用具有重要意义。 本研究结合我国丰富的钛铁矿资源优势，以钛铁矿为主要原料直接制备铁基金属基复合陶瓷材料。首次以钛铁矿为原料，采用原位合成烧结成功制备了致密TiC／Fe和钢结硬质合金GT35；采用自蔓延原位合成技术成功制备了TiC-Al2O3／Fe粉体，并通过热压烧结制成了TiC-Al2O3／Fe（Al）致密金属基复合陶瓷；尝试用量子化学计算，定性分析了离子电荷与化学键性对不同结构物相构成的金属基复合陶瓷性能的影响。本研究对我国矿物资源的高技术应用和金属基复合陶瓷工艺理论的发展具有重大现实意义。 本研究应用高能球磨、热压烧结、真空烧结以及机械加工、热处理设备制备了TiC／Fe、TiC-Al2O3／Fe（Al）和钢结硬质合金GT35致密的金属基复合陶瓷。应用差热分析（DSC）、失重分析（TG）、X射线衍射分析、扫描电镜等微结构分析和微区能谱分析结合热力学分析、化学键性计算分析等手段和方法，系统研究了钛铁矿碳热、铝热还原原位合成TiC、Al2O3、Fe（Al）系列金属基复合陶瓷的热力学机制；物相形成的动力学机制；以及原料因素、制备工艺对自蔓延制备粉体的燃烧过程、粒度控制的影响规律，以及添加剂元素的种类、添加量和烧结工艺对致密金属基复合陶瓷显微结构、力学性能的影响规律，提出相应的控制机制和措施，确定优化的配方和工艺参数。 本研究的主要结果： 1)钛铁矿碳热、铝热还原，原位合成金属基复合陶瓷，在热力学上稳定的物相为TiC、Al2O3和Fe。 2)钛铁矿—碳体系原位合成金属基复合陶瓷，其稳定物相TiC、Fe的形成过程经历了Fe2O3的脱氧还原得到Fe；FeTiO3的脱氧还原得到Fe和钛的氧化物，钛的氧化物TiO2、Ti3O5、Ti2O3等作为中间产物在还原过程中存在，碳热充分还

论文目录:

第一章 绪论

第一节 陶瓷材料的研究进展

1.1.1 金属基复合陶瓷的研究现状

1.1.1.1 物理性能上的相互匹配

1.1.1.2 化学性能上的相互匹配

1.1.1.3 制备技术的科学性和合理性

1.1.1.4 计算材料科学的应用

1.1.2 金属基复合陶瓷的制备技术

1.1.2.1 粉末冶金法

1.1.2.2 原位合成技术

1.1.2.2.1 过渡塑性相工艺制备技术

1.1.2.2.2 XD~(TM)技术

1.1.2.2.3 机械合金化

1.1.2.2.4 自蔓延高温合成技术

第二节 TiC陶瓷的研究进展

1.2.1 TiC复合陶瓷的研究

1.2.2 TiC金属基复合陶瓷的研究进展

1.2.3 TiC金属基复合陶瓷中添加成分的研究现状

第三节 TiC-Al_2O_3金属基复合陶瓷的研究进展

1.3.1 TiC-Al_2O_3复合陶瓷的研究现状

1.3.2 TiC-Al_2O_3／Fe金属基复合陶瓷的研究现状

第四节 钛铁矿及其综合利用

1.4.1 钛铁矿

1.4.2 涂料

1.4.3 冶炼

1.4.4 复合材料

1.4.5 其他

第五节 采用钛铁矿制备致密金属基复合陶瓷的可行性

1.5.1 目前利用钛铁矿制备复合材料的现状

1.5.2 研究目的和意义

第六节 本论文的研究工作

1.6.1 研究内容

1.6.2 研究方法

1.6.3 技术路线

1.6.4 课题来源

第二章 钛铁矿原位合成金属基复合陶瓷的热力学分析

第一节 钛铁矿-碳原位合成TiC／Fe金属基复合陶瓷的热力学分析

2.1.1 Fe_2O_3还原的热力学计算

2.1.2 FeTiO_3被还原脱氧为Ti_xO_y的热力学计算

2.1.3 FeTiO_3直接还原得到TiC／Fe的热力学计算

2.1.4 Ti_xO_y逐步脱氧的热力学计算

2.1.5 Ti_xO_y直接还原得到TiC的热力学计算

第二节 钛铁矿-铝-碳体系原位合成TiC-Al_2O_3／Fe金属基复合陶瓷的热力学分析

2.2.1 Fe_2O_3还原的热力学计算

2.2.2 FeTiO_3还原为Ti_xO_y的热力学分析

2.2.3 Ti_xO_y逐步还原脱氧的热力学计算

2.2.4 Ti_xO_y还原直接得到TiC-Al_2O_3的热力学计算

2.2.5 金属间化合物及碳化物形成的热力学计算

2.2.6 Al、Fe_3C对FeTiO_3、TixOy还原的热力学分析

第三节 钛铁矿-碳-铁(Me)原位合成钢结硬质合金GT35的热力学分析

2.3.1 添加元素与C生成碳化物的热力学计算

2.3.2 合金碳化物还原Fe_2O_3脱氧反应的热力学计算

2.3.3 合金碳化物还原FeTiO_3脱氧反应的热力学计算

2.3.4 合金碳化物还原Ti_xO_y逐步脱氧反应的热力学计算

2.3.5 合金碳化物还原Ti_xO_y直接得到TiC的热力学计算

2.3.6 合金碳化物还原FeTiO_3直接得到TiC的热力学计算

第四节 小结

第三章 钛铁矿-碳原位合成TiC／Fe金属基复合陶瓷

第一节 实验方法

3.1.1 原料配方

3.1.2 主要实验仪器

3.1.3 实验步骤

3.1.4 烧结工艺

3.1.5 材料的测试

3.1.5.1 材料的密度测定

3.1.5.2 材料硬度的测定

3.1.5.3 材料的抗弯强度测试

3.1.5.4 材料的断裂韧性测试

3.1.5.5 材料的XRD物相分析

3.1.5.6 材料断口晶粒形貌和大小的观察

3.1.5.7 材料能谱分析

第二节 原位合成真空烧结TiC／Fe金属基复合陶瓷的动力学分析

3.2.1 综合热分析

3.2.2 XRD分析

3.2.3 TiC／Fe物相的形成过程分析

第三节 钛铁矿—碳原位合成TiC／Fe金属基复合陶瓷的显微结构

3.3.1 TiC／Fe金属基复合陶瓷的XRD分析

3.3.2 TiC／Fe金属基复合陶瓷的SEM观察

3.3.3 TiC／Fe金属基复合陶瓷的电子探针分析(EPMA)

3.3.4 合成温度对显微结构的影响

第四节 TiC／Fe金属基复合陶瓷的性能

3.4.1 TiC／Fe金属基复合陶瓷的相对密度

3.4.2 TiC／Fe金属基复合陶瓷的洛氏硬度

3.4.3 TiC／Fe金属基复合陶瓷的抗弯强度和断裂韧性

第五节 TiC／Fe金属基复合陶瓷化学键性的计算分析

3.5.1 计算方法

3.5.2 化学键

3.5.3 TiC及掺杂的计算

3.5.4 Fe的计算

3.5.5 TiC／Fe金属基复合陶瓷性能的化学键性分析

第六节 小结

第四章 钛铁矿-铝-碳原位合成TiC-Al_2O_3/Fe(Al)金属基复合陶瓷

第一节 实验方法

4.1.1 原料配方

4.1.2 主要实验仪器

4.1.3 实验步骤

4.1.4 制备工艺

4.1.4.1 自蔓延高温合成工艺

4.1.4.2 反应热压工艺

4.1.5 材料的测试

第二节 原位合成TiC-Al_2O_3／Fe物相形成的动力学分析

4.2.1 综合热分析

4.2.2 XRD分析

4.2.3 TiC-Al_2O_3／Fe物相形成过程分析

第三节 自蔓延制备TiC-Al_2O_3／Fe金属基复合陶瓷粉体

4.3.1 反应绝热温度的计算

4.3.2 铝含量对自蔓延过程的影响

4.3.3 碳源对自蔓延过程的影响

4.3.3.1 燃烧合成过程特征

4.3.3.2 燃烧合成产物特征

4.3.4 稀释剂对自蔓延过程的影响

4.3.5 制坯压力对自蔓延过程的影响

4.3.6 预热时间对自蔓延过程的影响

4.3.7 热处理温度对自蔓延过程的影响

第四节 原位合成热压烧结TiC-Al_2O_3／Fe金属基复合陶瓷

4.4.1 烧结工艺及添加剂对TiC-Al_2O_3／Fe金属基复合陶瓷的影响

4.4.1.1 烧结温度的影响

4.4.1.2 烧结热压的影响

4.4.1.3 烧结气氛的影响

4.4.2 添加剂Mo,Ni的影响

第五节 TiC-xAl_2O_3／Fe金属基复合陶瓷的性能与化学键性计算分析

4.5.1 TiC-xAl_2O_3／Fe的制备与性能

4.5.2 Al_2O_3的化学键性计算

4.5.3 TiC及掺杂与Al_2O_3复合的化学键性计算

4.5.4 Al_2O_3与Fe复合的化学键性计算

4.5.5 TiC-xAl_2O_3／Fe金属基复合陶瓷性能的化学键性分析

第六节 TiC-Al_2O_3／(Fe-Al)金属间化合物基复合陶瓷的性能与化学键性计算分析

4.6.1 TiC-Al_2O_3／(Fe-Al)金属间化合物基复合陶瓷的制备与性能

4.6.2 FeAl、Fe_3Al的化学键性计算

4.6.2.1 FeAl的化学键性计算

4.6.2.2 Fe_3Al的化学键性计算

4.6.3 TiC与FeAl复合的化学键性计算

4.6.4 TiC与Fe_3Al复合的化学键性计算

4.6.5 Al_2O_3与FeAl复合的化学键性计算

4.6.6 Al_2O_3与Fe_3Al复合的化学键性计算

4.6.7 TiC-Al_2O_3／(Fe-Al)性能的化学键性分析

第七节 小结

第五章 钛铁矿—碳—铁(Me)原位合成直接制备钢结硬质合金GT35

第一节 钢结硬质合金GT35的制备

5.1.1 传统钢结硬质合金制备方法—粉末冶金方法

5.1.2 钛铁矿—碳—铁(Me)原位合成直接制备GT35

第二节 原位合成钢结硬质合金GT35的动力学分析

5.2.1 综合热分析

5.2.2 XRD分析

5.2.3 GT35物相的形成过程分析

第三节 原位合成直接制备GT35的显微结构及影响

5.3.1.扫描电镜观察及能谱分析

5.3.2.制备工艺对显微结构的影响

5.3.2.1 烧结工艺对显微结构的影响

5.3.2.2 热处理对显微结构的影响

5.3.3 添加剂对显微结构的影响

5.3.3.1 含碳量的影响

5.3.3.2 含钼量的影响

5.3.3.3 含铬量的影响

5.3.3.4 含镍量的影响

第四节 合金元素对钢结硬质合金GT35性能的影响

5.4.1 含碳量的影响

5.4.2 含钼量的影响

5.4.3 含铬量的影响

5.4.4 镍的影响

第五节 小结

第六章 全文结论

参考文献

攻读博士学位期间的科研工作

致谢

发布时间: 2006-09-13

参考文献

• [1].光波在金属基薄膜中的传输特性及应用研究[D]. 周薇溪.复旦大学2011
• [2].金属基离子液体中过渡金属氧化物的设计及其光电性质研究[D]. 徐丽.江苏大学2014
• [3].利用表面活性剂辅助的溶液路线在金属基片上生长异质结构纳米材料及性能研究[D]. 卓玉江.东北师范大学2013
• [4].Ag/HA纳米复合涂层对生物膜形成的影响及其作用机制[D]. 刘福存.第二军医大学2010

相关论文

• [1].原位颗粒增强镁基复合材料的制备[D]. 王慧远.吉林大学2004
• [2].用钛铁矿制备基Ti（C，N）复合材料的组织控制和工艺优化[D]. 汤爱涛.重庆大学2004
• [3].TiO2碳热还原氮化法制备TiN粉末及TiN-Al2O3复合材料研究[D]. 于仁红.西安建筑科技大学2005
• [4].TiC颗粒增强镁基复合材料的制备[D]. 李新林.吉林大学2005
• [5].TiC颗粒局部增强铸造钢基复合材料的制备[D]. 赵玉谦.吉林大学2005
• [6].高性能Ti（C，N）基金属陶瓷材料及其刀具切削性能研究[D]. 许育东.合肥工业大学2005
• [7].纳米复合Ti（C，N）基金属陶瓷材料研究[D]. 雷燕.华中科技大学2005
• [8].金属—陶瓷复合粉体制备与机理及其应用研究[D]. 朱流.浙江大学2006
• [9].高能球磨法制备含硼、碳、氮陶瓷的研究[D]. 吕春菊.浙江大学2006
• [10].XD反应合成Al2O3p-TiCp/Al复合材料的热力学及动力学过程的研究[D]. 寇生中.兰州理工大学2005

标签：钛铁矿论文;  原位合成论文;  金属基复合陶瓷论文;