氮化铝基导电陶瓷高压燃烧合成工艺与性能表征

论文摘要

导电陶瓷是集金属电学性质和陶瓷结构特性于一体的高性能功能材料,具有一般金属所不能比拟的物理化学性质。本文以Al+N2 AlN反应为基础,添加一定量的TiB2或TiN导电相,在100MPa高压氮气下,采用燃烧合成工艺制备了AlN基复相导电陶瓷。通过调节导电相、绝缘相的比例,获得不同导电率的高温导电陶瓷。由于体系各组分均具有很高的熔点,因而该体系导电陶瓷具有优良的高温性能,同时具有极好的耐腐蚀和耐磨损特性。本文首先着重研究了AlN-TiB2导电陶瓷燃烧合成机理、导电性能和抗氧化性能。研究表明,随着导电相TiB2含量的增加,产物的致密度、抗弯强度、硬度和断裂韧性均呈现先增加后降低的趋势,在TiB2含量为45%时出现峰值。这是由于在燃烧合成反应区熔融的Al在TiB2表面漫流,发生强烈的液相烧结,同时在外部压力作用下实现致密化。Al与TiB2的比例过高或过低均不利于液相烧结的进行。同时,随着导电相TiB2体积含量的增加,产物的电阻率下降。TiB2体积含量为3060%时,AlN-TiB2体系具有良好的导电性,电阻率位于1800150μ?·cm之间。其次,本文采用原位合成的方式（B4C+Si BN+SiC）引入BN相,利用TiN和TiB2相近的物理性能,同时为了降低反应的复杂性（TiB2+N2 TiN+BN）,以TiN替代TiB2,燃烧合成制备具有良好力学性能和导电性能的AlN-TiN-BN复合导电陶瓷。热力学分析表明,在100MPa反应压力下,燃烧温度较低时, TiN为稳定相;当燃烧温度较高时,将发生TiN+B4C TiC+TiB2+N2的反应,产物的X射线衍射分析验证了上述的分析。导电相TiN含量对力学性能和电阻率的影响与AlN-TiB2体系类似。另外,随着AlN-TiN-BN体系中原位生成的BN含量的增加,产物的致密度和强度下降,但产物的抗热震性显著提高。当BN含量为30%、40%时,产物的残余强度随热震温差的增加未发生明显的变化,抗热震性能优良。最后,为改善AlN-TiB2复相导电陶瓷的力学性能,在AlN-TiB2体系中加入SiC,研究AlN-SiC固溶强化对产物性能的影响。研究表明,在燃烧合成高温下,产物中AlN-SiC完全固溶。随着SiC含量的增加,一方面固溶强化作用增强;另一方面随着SiC含量的增加,Al含量下降,致密化过程减弱,在正反两方面因素作用下,产物的致密度、抗弯强度呈现先增加后降低的规律,在SiC含量为35%时出现峰值。对AlN-SiC-TiB2体系的燃烧合成产物进行了热处理,研究了热处理温度（600-1200oC）和保温时间（1-10h）对产物性能和微观结构的影响。随热处理温度的升高和保温时间的延长,陶瓷试样的力学性能得到显著提高,得到了抗弯强度达517.8MPa、断裂韧性5.79MPa?m1/2、洛氏硬度94.1、致密度达95%的AlN-SiC-TiB2陶瓷。研究了热处理产物的表面背散射相和透射相,结果表明:存在明显的AlN-SiC分相现象并在AlN基体和TiB2颗粒的界面处观察到大量的纳米尺寸的TiB2晶体析出相。热处理工艺增韧增强机理主要有:一是热处理工艺减弱或消除了存在于燃烧合成试样中的热应力;二是热处理后,固溶体的分相析出的富SiC相固溶体起到了颗粒弥散强化的作用;三是AlN-SiC基体中析出的TiB2纳米晶粒,使晶格畸变降低,内应力得以释放,提高了产物的力学性能。另外,还研究了AlN-TiB2体系和AlN-SiC-TiB2体系的恒温氧化行为,两者的氧化增重与时间的关系均符合抛物线规律,后者的氧化速率和氧化层厚度远低于前者,抗氧化性能明显优于前者。两者的低温氧化产物以金红石结构的TiO2为主,AlN-TiB2体系的高温氧化产物为Al2TiO5,氧化产物Al4B2O9、Al18B4O33的形成使得AlN-TiB2陶瓷具有良好的自愈合性,因而AlN-TiB2陶瓷具有良好的抗氧化性;而AlN-SiC-TiB2体系的高温氧化产物以高强、低模量、低热膨胀系数的长棒状莫来石Al6Si2O13晶相为主,使其具有优异的抗高温氧化性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 氮化铝基陶瓷的研究现状
• 1.2.1 AlN 的结构、性能与应用
• 2 的结构与性能'>1.2.2 TiB₂的结构与性能
• 2 导电陶瓷的发展概况'>1.2.3 AlN-TiB₂导电陶瓷的发展概况
• 1.2.4 AlN-SiC 固溶体陶瓷的研究现状
• 1.3 自蔓延燃烧合成
• 1.3.1 自蔓延燃烧合成（SHS）的历史发展
• 1.3.2 基本理论和方法
• 1.3.3 SHS 发展前景研究热点及发展方向
• 1.3.4 自蔓延燃烧合成（SHS）氮化铝陶瓷
• 1.4 本文的研究思路及主要研究内容
• 第2章 材料制备与研究方法
• 2.1 试验用材料
• 2.2 实验过程及实验装置
• 2.2.1 陶瓷粉料的预处理
• 2.2.2 AlN 基陶瓷的燃烧合成同时致密化
• 2.3 材料物理性能测试方法
• 2.3.1 致密度
• 2.3.2 硬度测试
• 2.3.3 室温力学性能测试
• 2.3.4 导电性能测试
• 2.4 材料组织结构分析方法
• 2.4.1 XRD 物相分析
• 2.4.2 组织结构的SEM、TEM 观察
• 2.5 氧化性能实验
• 2.6 热处理实验
• 2.7 热震实验
• 2导电陶瓷的工艺规律研究与性能表征'>第3章 AlN-TiB₂导电陶瓷的工艺规律研究与性能表征
• 3.1 引言
• 3.2 AlN 基复合陶瓷体系反应热力学分析
• 3.2.1 绝热温度计算
• 2 体系的分解压计算'>3.2.2 AlN-TiB₂体系的分解压计算
• 2 导电相含量对燃烧合成产物性能的影响'>3.3 TiB₂导电相含量对燃烧合成产物性能的影响
• 3.3.1 实验方法
• 3.3.2 燃烧合成产物的相组成
• 3.3.3 燃烧合成过程分析
• 2 导电相含量对力学性能的影响'>3.3.4 TiB₂导电相含量对力学性能的影响
• 2 导电相含量对微观组织结构和导电性的影响'>3.3.5 TiB₂导电相含量对微观组织结构和导电性的影响
• 2 导电陶瓷的恒温氧化行为'>3.4 AlN -TiB₂导电陶瓷的恒温氧化行为
• 3.4.1 氧化行为的热力学分析
• 3.4.2 氧化行为的动力学分析
• 3.4.3 氧化产物相组成分析
• 3.4.4 氧化层形貌分析
• 3.5 本章小结
• 第4章AlN-TiN-BN 导电陶瓷的合成机理与性能表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验设计
• 4.3 AlN-TiN 体系燃烧合成的热力学机理研究
• 4.3.1 燃烧合成产物的相组成分析
• 4.3.2 反应的热力学分析
• 4.4 TiN 含量对燃烧合成产物性能的影响
• 4.4.1 TiN 对燃烧合成产物力学性能的影响
• 4.4.2 TiN 导电相含量对微观组织结构和导电性的影响
• 4.5 BN 含量对产物性能的影响
• 4.5.1 BN 含量对产物组成和导电性能的影响
• 4.5.2 BN 含量对产物抗热震性能的影响
• 4.6 本章小结
• 2复相陶瓷固溶强化的规律与对性能影响'>第5章 AlN-TiB₂复相陶瓷固溶强化的规律与对性能影响
• 5.1 引言
• 2 陶瓷的燃烧合成'>5.2 AlN-SiC-TiB₂陶瓷的燃烧合成
• 5.2.1 实验方法
• 5.2.2 热力学分析
• 5.2.3 燃烧产物的相组成
• 5.2.4 燃烧产物组成的微观组织分析
• 5.2.5 产物的力学性能
• 5.3 热处理对产物性能的影响
• 5.3.1 实验方法
• 5.3.2 热处理产物的相组成
• 5.3.3 热处理产物的力学性能
• 5.3.4 热处理增强增韧的机理分析
• 2 陶瓷的恒温氧化性能'>5.4 AlN-SiC- TiB₂陶瓷的恒温氧化性能
• 5.4.1 实验方法
• 5.4.2 氧化行为的动力学分析
• 5.4.3 氧化产物相组成
• 5.4.4 氧化层形貌观察
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历