B4C复合材料的制备及耐海水腐蚀性能的研究

论文摘要

海洋科技的发展是一项系统工程,往往是诸多科技领域发展的集成。但就基础而言,需要依赖于材料科技的发展和突破,尤其依赖于专门应用于海洋的材料的研究和进展。涉海材料应用于海洋中,受到海水重压及海洋微生物的侵蚀。海洋环境的特殊性要求涉海材料必须具有高强度、耐腐蚀、抗附着、比重轻、高韧性等特点。碳化硼陶瓷密度小、硬度高、强度高、耐磨损,耐腐蚀性强,是应用于海洋的理想材料；TiAl合金密度小,将其作为烧结助剂可以改善碳化硼陶瓷的烧结性能,原位生成的第二相颗粒可以改善碳化硼陶瓷的力学性能。本文以B4C陶瓷为基体,用TiAl合金粉体作为B4C陶瓷的粘结相,对B4C陶瓷进行强化活化烧结,通过控制组分和工艺过程,制备成分均匀的B4C复合材料,并对该复合材料的制备工艺、力学性能、微观结构、相组成、烧结机理、增韧机制和耐腐蚀性能等各方面进行了研究。利用机械合金化工艺制备TiAl合金粉体。这种粉体的主要成分是TiAl固溶体和TiAl金属间化合物。利用这种粉体作为B4C的烧结助剂,对B4C进行活化烧结,所得到的复合材料中,主要的物相组成为硼化钛相（TiB2）、富硼相（B12 （BC2） 0.85 （B3） 0.85）、石墨相（C）和硼化铝相（Al6.3B88）。当TiAl合金粉体的含量为20wt%时,复合材料具有最优的力学性能,其抗弯强度为437.29MPa,断裂韧性为5.72 MPa·m1/2。此时具有最优力学性能的原因是在烧结过程中原位生成了TiB2棒状晶和纳米颗粒,对复合材料起到了增韧补强的作用。实验对10wt%TiAl/B4C、20wt%TiAl/B4C、30wt%TiAl/B4C和40wt%TiAl/B4C四种复合材料的耐海水腐蚀性能进行了研究。浸泡60天后各样品的质量在误差范围内均无变化,耐海水腐蚀能力由强到弱依次为10wt%TiAl/B4C、30wt%TiAl/B4C、40wt%TiAl/B4C、20wt%TiAl/B4C。实验周期内,各样品的耐海水腐蚀能力均发生高低相间的变化,但变化规律并不相同。10wt%TiAl/B4C、20wt%TiAl/B4C的耐腐蚀能力先降低后升高,30wt%TiAl/B4C呈先降低后升高再降低的趋势,40wt%TiAl/B4C的耐腐蚀能力则先升高又降低。该复合材料的海水腐蚀可分为海水中有害粒子对材料表面保护膜的穿透过程、海水对复合材料中TiB2相的腐蚀过程及TiB2相表面生成TiO2保护膜的过程。这三个过程依次循环进行,使得样品的耐腐蚀能力发生高低相间的变化,而样品中各物相含量的不同则导致了每个过程在样品浸泡过程中发生时期的差异。在复合材料腐蚀过程中,石墨相为阴极,TiB2相为阳极,两者构成腐蚀原电池,电极反应为：阳极反应：TiB2+8H2O=TiO2+2H3BO3+10H++10e阴极反应：O2+4H2O+4e=4OH-总反应：2TiB2+5O2+2H2O=2TiO2+4H3BO3复合材料发生腐蚀的过程正是这个电化学反应进行的过程。本论文对TiAl/B4C复合材料进行了一体化设计与制备,较系统地研究了TiAl/B4C复合材料的设计与制备工艺,并进行了烧结机理、增韧机制的讨论和微观结构的观察、耐海水腐蚀的评估,得到了低密度、高强度、耐腐蚀性能优良的复合材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 4C陶瓷的性能及研究现状'>1.2 B₄C陶瓷的性能及研究现状
• 1.2.1 低密度
• 1.2.2 硬度与耐磨性
• 1.2.3 弯曲强度和断裂韧性
• 1.2.4 热膨胀系数及比热容
• 1.2.5 热电性
• 1.2.6 热中子吸收性
• 1.2.7 化学稳定性
• 4C碳化硼的晶体结构'>1.2.8 B₄C碳化硼的晶体结构
• 1.3 课题的提出及主要研究方法
• 1.3.1 课题的提出
• 1.3.2 课题的主要研究内容
• 1.3.3 课题拟解决的关键问题
• 1.3.4 课题的可行性分析
• 第二章 实验内容与方法
• 2.1 课题的技术路线
• 4C复合材料制备工艺'>2.2 TiAl/B₄C复合材料制备工艺
• 2.2.1 粉体制备工艺
• 2.2.2 块体制备工艺
• 2.2.3 烧结工艺参数的确定
• 4C复合材料的力学性能检测'>2.3 B₄C复合材料的力学性能检测
• 2.3.1 密度测定
• 2.3.2 弯曲强度测试
• 2.3.3 断裂韧性
• 2.3.4 相组成和显微结构分析
• 第三章 TiAl合金粉体的制备与表征
• 3.1 机械合金化
• 3.1.1 MA工艺及原理
• 3.1.2 MA物理过程
• 3.1.3 MA机械力化学效应
• 3.2 TiAl粉体的机械合金化
• 3.2.1 机械力活化及球磨温度效应
• 3.2.2 固溶体的形成
• 3.2.3 非晶的形成
• 3.2.4 固相反应
• 3.3 本章小结
• 4C复合材料的制备与表征'>第四章 B₄C复合材料的制备与表征
• 4.1 Ti-B-C、Ti-Al-B三元平衡相图
• 4C复合材料的制备'>4.2 B₄C复合材料的制备
• 4C体系的热力学计算'>4.2.1 Ti-Al-B₄C体系的热力学计算
• 4.2.2 成分及工艺设计
• 4.2.3 复合材料的物相分析
• 4.2.4 复合材料的性能
• 4.3 本章小结
• 第五章 复合材料耐海水腐蚀研究
• 5.1 海水腐蚀概述
• 5.1.1 海水腐蚀研究的背景及意义
• 5.1.2 材料在海洋中的破坏类型及特点
• 5.2 海水腐蚀实验
• 5.2.1 腐蚀实验材料
• 5.2.2 实验材料的预处理
• 5.2.3 海水全浸实验
• 5.2.4 电化学实验
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 海水全浸腐蚀速率
• 5.3.2 全浸试样表面形貌观察
• 5.3.3 电化学阻抗谱
• 5.3.4 极化曲线
• 5.3.5 复合材料的腐蚀机理探索
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文