原位合成TiB2/Cu復(fù)合陶瓷材料及致密性研究

張玉鋒

(徐州機電工程高等職業(yè)學(xué)校 數(shù)控系，江蘇 徐州221011)

0 引言

陶瓷在高溫條件下仍具有很高的硬度，但是陶瓷的脆性限制了它的應(yīng)用。為了改善其性能，可采用液態(tài)金屬銅（Cu）作粘結(jié)劑，促使陶瓷的硬質(zhì)相致密化，從而提高陶瓷的性能。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cu 含量的變化，TiB2 顆粒之間的孔隙逐漸被金屬相填充，使其致密性、韌性、強度都得到很大的提高。

1 原位合成制備TiB2/Cu 陶瓷

通過TiB2基體內(nèi)部利用元素間或元素與復(fù)合相間的化學(xué)反應(yīng)合成強化相。于是將Ti 粉、B 粉和Cu 粉按Ti+2B+xCu—>TiB2+xCu 反應(yīng)方程式進行配料。利用球磨機在無氧條件下球磨樣品粉末5h，充分混合后真空干燥。干燥后將粉末放置于壓力機中，梯度增壓到20MPa，保壓5min 后取出壓片，以同樣的方法分別壓制3 組含銅量為15%、25%和35%的樣品壓片，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒Y(jié)制取TiB2/Cu 復(fù)合材料。

2 XRD 射線測試分析與總結(jié)

已知在燒結(jié)過程中，Ti、B 及Cu 可能會發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng):

為了確定合成產(chǎn)物的反應(yīng)方向和最終相，對上式反應(yīng)的反應(yīng)自由能進行了理論計算。計算后發(fā)現(xiàn)在TiB2，TiB 及TiCu 三種可能產(chǎn)物中，TiB2的反應(yīng)自由能最低。這說明在Ti-B-Cu 體系中，TiB2是在理論上最穩(wěn)定的相。根據(jù)自由能計算參考數(shù)據(jù)可知，TiCu 是可以可按下式和B 反應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)門iB2。反應(yīng)式如下：

通過用XRD 射線測試后所得到的衍射峰的強度和衍射峰的數(shù)目可以看出，如圖1 所得到的XRD 射線測試的峰值圖，圖中含有TiB2和Cu，于是可以確定，通過用原位合成的方法能夠得到TiB2/Cu 復(fù)合材料，根據(jù)成分配比，TiB2顆粒的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)達(dá)到80%左右。這一結(jié)果基本滿足要求。但同時在樣品中也發(fā)現(xiàn)有少量TiO、TiO2、CuO、TiB 等雜質(zhì)，可能與燒結(jié)過程發(fā)生氧化有關(guān)。

圖1 樣品復(fù)合材料X 射線譜

3 金相顯微鏡的測試與分析

通過金相顯微鏡的測試，我們根據(jù)3 組對照實驗可以發(fā)現(xiàn)：隨著Cu 含量的增加，TiB2復(fù)合材料的顆粒逐漸變小，空洞也在減少。如圖2所示的3 組電子掃描的圖片。三組對比試驗可以發(fā)現(xiàn)，金屬確實能夠改變TiB2陶瓷的致密性。

圖2 3 組Cu 含量為15%（a）、25%（b）、35%（c）的電子掃描的圖片

由圖2 給出的3 組分別含Cu15%、25%和35%的TiB2/Cu 復(fù)合陶瓷的掃描照片。其中，灰色是TiB2相，白色是Cu 相，黑色是孔洞。孔洞的存在主要來源于可能是在燒結(jié)過程中雜質(zhì)或單質(zhì)硼（B）的揮發(fā)造成。從圖中可以看出，該組織較為致密，僅有少量孔洞。同時從圖中可以看出，隨著Cu 含量的增加，TiB2顆粒的尺寸逐漸減小?？赡苁请S著Cu 含量的增加，體系中的液相逐漸增多，抑制了TiB2顆粒的長大，另外隨著Cu 含量的增加，金屬銅填充了陶瓷的空洞。

4 密度的測定與分析

用阿基米德排水法來測量復(fù)合材料的密度。利用浸在液體里的物體受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被該物體排開的液體的重力的原理，實現(xiàn)對陶瓷材料密度的測量。利用式F 浮=ρ 水gV 排，分別計算出15%、25%和35%的陶瓷復(fù)合材料的密度是6.32g/cm3，6.54g/cm3和7.03g/cm3。根據(jù)密度測定可以發(fā)現(xiàn)：隨著銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，TiB2復(fù)合材料的密度也隨之增加。同時，由密度可以得出材料的相對密度，于是根據(jù)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時，材料相對密度的變化。可以看出：隨著Cu含量的不斷增加，致密度呈逐漸增加趨勢，但是增加幅度逐漸變緩。

5 結(jié)束語

（1）將Ti 粉、B 粉和Cu 粉按照一定的比例混合，通過原位合成的方法是能夠得到一定量的TiB2/Cu 陶瓷材料；

（2）在TiB2陶瓷中添加金屬（Cu）粘結(jié)劑是能夠改變陶瓷材料的一些性能包括致密性。

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