论文题目: TiO2碳热还原氮化法制备TiN粉末及TiN-Al2O3复合材料研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料学
作者: 于仁红
导师: 蒋明学
关键词: 碳热还原,氮化钛,反应机理,动力学,复合材料
文献来源: 西安建筑科技大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文采用热力学分析、XRD、SEM、以及TG-DTA等分析手段对TiO2碳热还原氮化合成TiN进行了系统的研究,阐明了TiO2碳热还原氮化反应机理;提出了连续式全等温热重研究方法,并用该方法研究了TiO2碳热还原氮化过程动力学;详细研究了工艺因素对TiO2碳热还原氮化过程的影响;小批量制备了TiN粉末,对其性能进行了表征,并以该粉末为原料制备了TiN-Al2O3复合材料。 热力学分析表明:TiO2碳热还原法合成TiN、TiC粉末时,中间氧化物的稳定存在区域及反应开始温度与炉内温度、炉内的CO分压和N2分压相关。随着炉内CO分压的降低和N2分压的升高,反应开始温度逐渐降低。因此,在TiN、TiC粉末合成工艺过程中,增大N2压力、惰性气体的流速或不断对炉内抽真空换气,降低炉内的CO分压,可以降低反应开始温度。 通过热力学分析系统地说明了TiO2碳热还原及其氮化过程中的反应顺序。研究结果表明:在含N2气氛中,1400K以下Ti4O7是最稳定的中间氧化物,1400K以上Ti3O5是最稳定的中间氧化物;在不含N2气氛中,1310K以下Ti2O3是最稳定的中间氧化物,1310K以上Ti3O5是最稳定的中间氧化物。实验研究证明了上述论断的正确性。在实验温度范围内发现:TiOxNy,形成于低温阶段,其氮含量随着炉内温度的升高而升高;氧含量随着炉内温度的升高而降低,在1300℃反应2h后,TiOxNy的氧含量为0.86wt%。 用连续式全等温热重法,测定了钛白粉-活性炭、钛白粉-石墨试样碳热还原氮化动力学数据,并用改进的单位面积失重法对所得数据进行了分析。结果表明:钛白粉-活性炭试样合成氮化钛粉末的整个过程可以分成三个阶段。在第一阶段,试样单位面积的反应失重随时间的变化符合抛物线规律,即:（ΔWt/At）2=kDt,整个反应的速率由碳的固相扩散速率控制,该阶段的反应表观活化能为207.76kJ/mol;在第二阶段,试样单位面积的反应失重与时间呈线性关系,即:（ΔWt/At）=kreat,整个反应的速率由碳表面的氧化反应速率控制,该阶段的反应表观活化能为204.30kJ/mol;在第三阶段,试样单位面积的反应失重随时间的变化符合抛物线规律,即:（ΔWt/At）2=kDt,整个反应的速率由氮氧化物中氧原子或氮原子的固相扩散速率控制,该阶段的反应表观活化能为255.69kJ/mol。在所研究的温度范围内（1050～1300℃）,钛白粉-石墨试样单位面积的
论文目录:
1 文献综述
1.1 氮化钛的性质、应用与制备
1.1.1 氮化钛的性质
1.1.2 氮化钛的应用
1.1.3 氮化钛粉末的制备方法
1.2 碳热还原法研究现状以及存在的问题
1.2.1 TiO_2碳热还原氮化热力学
1.2.2 TiO_2碳热还原氮化反应机理
1.2.3 TiO_2碳热还原氮化动力学
1.2.4 TiO_2碳热还原氮化工艺条件
1.3 氮化钛陶瓷的研究现状
1.3.1 氮化钛粉末的表面改性
1.3.2 氮化钛粉末的成型
1.3.3 氮化钛粉末的烧结
1.4 氮化钛复合材料的研究现状
1.4.1 TiN-Si_3N_4复合材料的研究现状
1.4.2 TiN／Ti(C，N)-Al_2O_3复合材料的研究现状
1.5 展望
1.6 本论文的研究内容、目的及意义
2 TiO_2碳热还原氮化热力学研究
2.1 前言
2.2 TiC、TiN合成热力学分析
2.2.1 不同温度、CO分压下的相关系
2.2.2 气体分压的影响
2.3 Ti(C，N)粉末合成过程热力学分析
2.3.1 TiC_(1-x)N_x反应自由能计算
2.3.2 纯碳氮化钛稳定存在区域
2.4 本章结论
3 TiO_2碳热还原氮化反应机理研究
3.1 前言
3.2 实验方法
3.2.1 原料
3.2.2 实验过程
3.2.3 分析测试
3.3 反应顺序
3.3.1 不含N_2气氛
3.3.2 含N_2气氛
3.4 热力学分析
3.5 实验结果与讨论
3.5.1 XRD分析
3.5.2 晶格参数
3.5.3 N_2气氛下热重-差热分析
3.6 传质机理探讨
3.6.1 传质机理描述
3.6.2 传质机理分析与讨论
3.7 本章结论
4 恒温下TiO_2碳热还原氮化动力学研究
4.1 前言
4.2 实验方法
4.2.1 试样制备
4.2.2 连续式全等温热重实验方法
4.2.3 连续式全等温热重实验方法的程序
4.3 实验结果分析与讨论
4.3.1 部分等温热重法与全等温热重法的数据处理
4.3.2 TiO_2碳热还原氮化全等温热重实验结果分析
4.3.3 TiO_2碳热还原氮化动力学分析
4.4 本章结论
5 TiO_2碳热还原氮化法制各氮化钛粉末工艺研究
5.1 前言
5.2 实验方法
5.2.1 原料
5.2.2 粉末合成原理
5.2.3 实验过程
5.2.4 实验内容
5.2.5 分析测试
5.3 实验结果
5.3.1 原料粒度的影响
5.3.2 碳源的影响
5.3.3 配碳量的影响
5.3.4 混合方式的影响
5.3.5 成型压力的影响
5.3.6 氮气流量的影响
5.4 实验结果讨论
5.4.1 混合方式和坯体密度
5.4.2 氧化物粒径
5.4.3 配碳量
5.4.4 氮气流量
5.4.5 还原剂粒径大小、碳源
5.5 合成粉末的表征
5.5.1 合成粉末的物相
5.5.2 合成粉末的粒度分布
5.5.3 合成粉末的形貌
5.5.4 合成粉末的性能
5.6 本章结论
6 TiN-Al_2O_3复合材料的制备与性能
6.1 前言
6.2 实验方法
6.2.1 原料
6.2.2 实验过程
6.3 分析测试
6.3.1 体积密度、气孔率的检测
6.3.2 显微硬度(Vikers)和断裂韧性的检测
6.3.3 三点弯曲强度测试
6.3.4 电阻率的测量
6.3.5 扫描电镜和能谱分析
6.4 结果与讨论
6.4.1 烧结温度对TiN-Al_2O_3复合材料性能的影响
6.4.2 Al_2O_3-TiN复合材料烧结过程中显微结构变化
6.4.3 TiN含量对TiN-Al_2O_3复合材料性能的影响
6.4.4 TiN增韧机理探讨
6.4.5 TiN含量对TiN-Al_2O_3复合材料电阻率的影响
6.4.6 TiN含量对TiN-Al_2O_3复合材料显微结构的影响
6.5 本章结论
7 结论
致谢
参考文献
附录 攻读博士学位期间发表的相关学术论文
发布时间: 2005-07-19
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