Ti+B4C反应原位合成多孔TiB2-TiC复合材料的研究

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Ti-B4C体系经原位反应后所得 TiB2-TiC复合材料具有较高的化学稳定性,良好的耐高温性,较低的热膨胀系数及高耐磨、高硬度、高弹性模量、密度小等诸多优异性能,故在高性能多孔过滤材料研究等领域具有较高的研发和应用前景,近年来多数研究也致力于通过Ti-B4C体系合成轻质、多孔的硼化钛-碳化钛复合材料,以期在航空航天、环保、催化载体、高效隔热材料等研究领域发挥作用。  为通过 Ti-B4C体系获得孔结构、强度及孔径系列化的多孔材料,同时为其进一步的研发与应用提供参考与技术支持,本文在国家自然科学基金项目(非平衡等离子合成CNT/TiC强化多孔材料的结构研究,51272141)支持下,以Ti-B4C为基础体系,分别采用真空烧结及不同热源(通电钨丝、等离子弧、激光)引发自蔓延合成的工艺获得了TiB2-TiC多孔复合材料。研究了不同工艺对材料物相、孔形貌与组织、性能及孔径分布情况的影响;并探究不同Ti:B4C摩尔比对复合材料的影响。在此基础上,向 Ti-B4C体系中加入不同碳源(石墨、碳纳米管),构成 Ti-B4C-C体系,以期获得高孔隙、高强度的多孔材料,并分析了自蔓延和真空烧结两种工艺下外加碳源对体系反应、产物物相、孔形貌与组织、性能及孔径分布的影响。实验结果表明:  (1)对Ti-B4C体系,自蔓延合成样品的物相以TiB2和TiC为主,真空烧结样品则主要为TiB和TiC相;随Ti:B4C摩尔比增加,自蔓延样品中TiB逐渐增加,TiB2相应减少。对比各样品孔隙率,真空烧结样品普遍高于自蔓延样品,均在50%以上;而随Ti含量增加,不同工艺下对应样品的孔隙率均呈下降趋势,受其影响,抗压强度逐渐升高,其中烧结样品的抗压强度均高于自蔓延样品,最高可达105.9 MPa。  (2)与Ti-B4C体系相比:添加石墨自蔓延样品的物相变得单一,反应烧结样品则以TiB2和TiC相为主;而添加碳管烧结样品的衍射峰中出现了C的衍射峰。同时,添加石墨后,反应烧结和自蔓延样品的孔隙率均得到提升,以后者的提升幅度为甚,样品孔隙率均高于50%;此外,烧结样品的峰值孔径则由未添加时的8.0506μm减小至2-4μm;而添加碳管后最明显的改善为烧结样品抗压强度出现较大提升,加入0.5 wt%碳管的烧结样品抗压强度可达140 MPa以上,但碳管加入后也使得烧结样品的孔径分布曲线上出现了二次峰值孔径且其自蔓延样品的孔径分布范围变宽。  (3)自蔓延样品的孔骨架组织多以层状堆叠TiB2和近球形TiC颗粒组成,而真空烧结样品则为不规则块状Ti C和晶须状Ti B组织;孔结构方面,自蔓延合成样品的孔径较大,孔壁较为光滑且孔骨架更加厚实;真空烧结样品的孔隙则非常细密,原始颗粒堆积孔隙的轮廓清晰,孔壁上延伸生长出大量Ti B晶须,且随Ti增多而增多;添加石墨后,自蔓延样品中出现了规则的片状孔,起到了造孔剂的作用,而加入碳管自蔓延样品的孔隙孔径分布范围变宽。
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