放電等離子燒結(jié)制備金剛石/鈦鋁碳復(fù)合材料

張旺璽,徐世帥,王艷芝,羅 偉,梁寶巖,馮燕翔,韓丹輝

(1.中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院,鄭州451191;2.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院,河南鄭州451191; 3.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系,四川瀘州646000)

放電等離子燒結(jié)制備金剛石/鈦鋁碳復(fù)合材料

張旺璽1,徐世帥1,王艷芝2,羅 偉3,梁寶巖1,馮燕翔1,韓丹輝2

(1.中原工學(xué)院材料與化工學(xué)院,鄭州451191;2.中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院,河南鄭州451191; 3.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系,四川瀘州646000)

以金剛石微粉和鈦鋁碳微粉為原料,采用放電等離子燒結(jié)制備金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料。研究結(jié)果表明：在溫度1100℃～1200℃、30 MPa和金剛石含量為(30～60)wt.%條件下,制得金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料。當(dāng)金剛石含量大于40wt%時(shí),制得樣品的微觀結(jié)構(gòu)中存在大量的空隙;當(dāng)金剛石含量為(30～40)wt.%時(shí),制得樣品微觀結(jié)構(gòu)較致密。鈦鋁碳與金剛石作用分解為碳化鈦和少量的碳化鋁,金剛石能夠被反應(yīng)產(chǎn)物表面包覆,包覆后鑲嵌于陶瓷基體中,復(fù)合材料密度達(dá)到3.7g/cm3,磨耗比約為1550。

金剛石;鈦鋁碳;放電等離子燒結(jié);復(fù)合材料

金剛石是典型的正四面體晶體結(jié)構(gòu),具有最高硬度,除此外金剛石還具有疏水性、耐酸堿性、優(yōu)良的光電性和高導(dǎo)熱性等[1],可用作大功率光電子器件和微波器件的散熱片、高光學(xué)透過性窗口、壓頭、傳感器和醫(yī)療儀器等[2,3]。金剛石優(yōu)異的物理、電化學(xué)性能決定了其具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,涉及從日用生活用品到醫(yī)療軍工高端產(chǎn)品。目前,主要利用金剛石的超硬特點(diǎn),用來制備磨料磨具、鉆探工具、刀具、修正工具和拉絲模具等。

金剛石磨料磨具的結(jié)合劑主要有樹脂、金屬和陶瓷[4]。樹脂磨具加工性和自銳性較好,但耐熱性差、強(qiáng)度低且損耗快。金屬結(jié)合劑工具導(dǎo)熱性好、韌性好,但自銳性差。陶瓷結(jié)合劑具有優(yōu)秀的熱化學(xué)穩(wěn)定性、磨削效率高,但可加工性和韌性較差[5]。目前,人們往往采用改性處理來達(dá)到改善結(jié)合劑性能的目的,金屬陶瓷鈦鋁碳材料[6～8]具有導(dǎo)熱性好、易加工和耐熱化學(xué)穩(wěn)定性、高強(qiáng)度等特點(diǎn)。本文采用鈦鋁碳為結(jié)合劑,利用放電等離子體燒結(jié)技術(shù)[9]制備金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料,研究了溫度和配比對(duì)復(fù)合材料微觀形貌、物相結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

原料采用金剛石(20/140目)和Ti3AlC2微粉。按照質(zhì)量比金剛石∶Ti3AlC2分別為3∶7(記為D30)、4∶6(記為D40)、5∶5(記為D50)和6∶4(記為D60)進(jìn)行配料,將混合料在變頻行星型球磨機(jī)中進(jìn)行球磨5 h,烘干3 h后得到均勻混合料。然后把一定質(zhì)量的混合料倒入石墨模具(腔體Φ30mm)中,利用放電等離子燒結(jié)爐(SPS-40-10)快速燒結(jié)制得金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料(樣品厚度3～4mm, Φ30mm),升溫速率約200℃/min。利用固體密度儀測(cè)量樣品的相對(duì)密度變化。采用X-射線衍射儀(Rigaku Ultima IV,Cu靶)對(duì)樣品進(jìn)行XRD物相分析。利用電子掃描顯微鏡(JSM-6700F)觀察微觀形貌。采用磨耗比測(cè)量?jī)x測(cè)試樣品的磨耗比。

圖1 金剛石含量為40wt%混合料的熱重曲線Fig.1 TG curves of the mixtures with 40wt%diamond

2 結(jié)果與討論

2.1 金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料的熱重分析

從圖1中TG和DSC的曲線可以發(fā)現(xiàn),混合料在升溫過程中重量變化不大,在1200℃和1350℃出現(xiàn)了放熱峰。在1200℃時(shí)鈦鋁碳微粉可能發(fā)生分解導(dǎo)致放熱,經(jīng)X-射線物相分析可知,在1200℃鈦鋁碳分解成碳化鈦。當(dāng)溫度達(dá)到1350℃時(shí),鈦鋁碳與金剛石發(fā)生作用生成穩(wěn)定化合物,金剛石在這時(shí)也會(huì)發(fā)生石墨化,物相分析表明有碳化鋁和石墨生成。

2.2 金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料的密度分析

從圖2可知,在1100℃～1200℃溫度區(qū)間內(nèi)得到了相對(duì)較高密度的金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料,約3.7g/cm3,磨耗比高達(dá)1450。提高燒結(jié)溫度,金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料的密度逐漸下降,這是因?yàn)樘岣邷囟葧?huì)導(dǎo)致金剛石表面石墨化程度加劇,因此致密性差。

2.3 金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料XRD分析

從圖3可以發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料的主要物相為石墨、碳化鈦和少量的碳化鋁。當(dāng)金剛石含量由30wt%提高到60wt%時(shí),金剛石和石墨的特征衍射峰逐漸增強(qiáng),在1200℃的條件下金剛石表面開始出現(xiàn)石墨化,石墨衍射峰隨金剛石含量增大變強(qiáng)。在燒結(jié)溫度1100℃時(shí),樣品的主要物相為金剛石、碳化鈦和少量石墨。在1400℃時(shí),金剛石發(fā)生石墨化,石墨化的碳原子與鈦鋁碳發(fā)生反應(yīng),形成了碳化鈦和碳化鋁,制得的復(fù)合材料的主要物相為碳化鈦、石墨、碳化鋁和金剛石。

圖3 a：在1200℃、30 MPa條件下,不同金剛石含量制得的金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料的XRD圖; b：在金剛石含量為40wt%的條件下,不同燒結(jié)溫度制得的復(fù)合材料的XRD圖

2.4 金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料的形貌分析

圖4為不同條件下制備的金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料的電鏡照片,可以發(fā)現(xiàn)金剛石鑲嵌于基體中,金剛石被完全包覆,金剛石表面凸凹不平且較粗糙,金剛石剝落后在基體上留下凹凸面,經(jīng)EDS確認(rèn)金剛石表面包裹物和基體凹面內(nèi)部凸起部分物質(zhì)的主要成分為TiC和Al4C3。鈦鋁碳發(fā)生分解,金剛石表面石墨化,金剛石表面的碳原子與鋁發(fā)生反應(yīng)生成碳化鋁。研究發(fā)現(xiàn)在1200℃、30MPa條件下制得的金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料中,金剛石顆粒能夠被完好的包覆,但進(jìn)一步提高溫度會(huì)導(dǎo)致金剛石石墨化程度變高,復(fù)合材料的孔隙率增大,力學(xué)性能變差。

圖4 不同燒結(jié)溫度下制得樣品40D的電鏡照片a1,a2,a3,a4：1200℃;b1：1300℃;b2：1400℃Fig.4 SEM images of sample 40D prepared under different temperatures.

3 結(jié) 論

采用鈦鋁碳和金剛石微粉為原料,利用放電等離子體燒結(jié)技術(shù)制備了金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料,在溫度為1100℃～1200℃、30MPa條件下,金剛石含量為40wt%,制得的金剛石/鈦鋁碳陶瓷復(fù)合材料具有較好的性能,相對(duì)密度約3.7g/cm3,磨耗比約為1550。

復(fù)合材料的物相為石墨、金剛石、碳化鈦和碳化鋁,提高燒結(jié)溫度金剛石石墨化加劇。

[1] 張壯飛.高溫高壓合成金剛石用新型鐵基觸媒材料的研究[D].吉林大學(xué),2013.

[2] 王秦生,李利紅,林玉,等.國(guó)內(nèi)外超硬材料制品的新發(fā)展[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2013,24(6):36-39.

[3] 王秦生,林玉,李利紅,等.國(guó)內(nèi)外超硬材料的新發(fā)展[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2013,24(1):38-41.

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[5] 翟浩沖,萬隆,劉小磐,等.cBN陶瓷結(jié)合劑磨盤的研究[J].金剛石磨料與磨具工程,2010,30(4):33-37.

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[7] 梁寶巖,王艷芝,張旺璽,等.微波反應(yīng)快速合成Ti3AlC2和Ti2AlC材料[J].陶瓷學(xué)報(bào),2015,36(5):476-480.

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Diamond/Ti3AlC2Composite Prepared by Spark Plasma Sintering

ZHANG Wang-xi1,XU Shi-shuai1,WANG Yan-zhi2,LUO Wei3, LIANG Bao-yan1,FENG Yan-xiang1,HAN Dan-hui2
(1.School of Materials and Chemical Engineering,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou, Henan,China 451191;2.School of Civil Engineering&Architecture,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou,Henan,China 451191;3.Department of Chemical Engineering, Sichuan Vocational College of Chemical Technology,Luzhou,Sichuan,China 646000)

Diamond/Ti3Al C2ceramic composite has been prepared through spark plasma sintering with diamond and Ti3AlC2micro-powders as raw materials.Result shows that iamond/Ti3AlC2ceramic composite can be prepared under the conditions of 1100℃～1200℃,30 Mpa and(30～60)wt.%diamond content.When the diamond content is higher than 40wt%,abundant voids occur in the microstructure of the prepared samples; the microstructure of the prepared samples are relatively denser when diamond content is (30～40)wt.%.Ti3AlC2decomposes into TiC and a small amount Al4C3under the reaction with diamond and diamond is coated by the reaction product and inlaid into the ceramic matrix,and the density of the composite may reach 3.7g/cm3with a abrasive ratio of 1550.

diamond;Ti3AlC2;SPS;composite

TQ164

A

1673-1433(2017)01-0011-04

2016-10-16

國(guó)家自然基金(項(xiàng)目編號(hào):51602356),河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)(項(xiàng)目編號(hào):15IRTSTHN004)和河南省教育廳自然科學(xué)計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào):16A430049)資助

張旺璽,博士,教授。主要研究方向:金剛石和cBN超硬復(fù)合材料、纖維高分子材料制備與改性等。E-mail:zwx91zwx@163.com。

張旺璽,徐世帥,王艷芝,等.放電等離子燒結(jié)制備金剛石/鈦鋁碳復(fù)合材料[J].超硬材料工程,2017,29(1):11-14.