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立方氮化硼复合材料的制备与性能研究

2020-12-15阅读(967)

立方氮化硼复合材料的制备与性能研究

论文摘要

cBN在硬度和热导率方面仅次于金刚石,同时具有优于金刚石的热稳定性、化学稳定性和抗氧化性,尤其在化学性能方面,对铁族金属是极其稳定的。因此cBN可应用于铁制品的加工和研磨等,作为切削工具材料比金刚石更优越,受到材料研究领域的广泛关注,其工业生产应用领域在不断地扩大。本实验采用原位合成的方法在cBN颗粒进行表面改性,在其表面包覆一层纳米TiN颗粒,从而改善cBN颗粒表面结合性能差的问题。研究了不同条件下,微/纳米cBN-TiO2复合粉体和微/纳米cBN-TiN复合粉体的形成机理及其影响因素。将cBN-TiN复合粉体与Cu粉混合后,采用SPS技术烧结制备得到微／纳米cBN-TiN增强铜基复合材料,研究了不同体积分数的cBN-TiN、烧结温度、烧结压力和保温时间对微/纳米cBN-TiN复合粉体增强铜基复合材料的影响。利用TG-DTA对复合粉体的热学性能进行分析,利用X射线衍射仪、SEM和EDS等对复合粉体和复合材料的物相组成、微观形貌和元素分布等进行表征。对微/纳米cBN-TiN复合粉体增强铜基复合材料的相对密度、显微硬度、抗弯强度、电阻率和摩擦磨损等性能进行了综合测试分析。实验结果表明,以钛酸丁酯为钛源,采用溶胶-凝胶法制备得到微／纳米cBN-TiO2前驱体,其包覆效果均匀,生成过程容易控制。获得最佳的制备条件为：cBN经14mol/L的浓硝酸处理3h后,n[C2H5OH]:n[Ti（OC4H9）4]=10:1, pH=7,水解温度为20℃,n[H2O]:n[Ti（OC4H9）4]=10:1,n[cBN]:n[Ti（OC4H9）4] =3:1。通过TG-DTA分析,确定了cBN-TiO2前驱体以5℃/min的升温速度升至450℃,保温2 h后可以得到微/纳米cBN-TiO2复合粉体。将微/纳米cBN-TiO2复合粉体在氨气气氛中于950℃下氮化5h可完全得到微/纳米cBN-TiN复合粉体。SPS技术烧结制备得到的微/纳米cBN-TiN增强铜基复合材料其相对密度随着微/纳米cBN-TiN复合粉体的体积分数的增加而逐渐减小,显微硬度、抗弯强度和电阻率随着微/纳米cBN-TiN复合粉体体积分数的增加而增加。烧结温度对微/纳米cBN-TiN增强铜基复合材料的性能影响比较大,温度过低时（600℃）,微/纳米cBN-TiN复合粉体不能得到很好的烧结,烧结温度欠佳,造成微/纳米cBN-TiN增强铜基复合材料的性能较低；温度过高时（800℃）,微/纳米cBN-TiN复合粉体过度烧结,造成Cu基体的熔融,致使复合材料的性能下降。烧结压力对微/纳米cBN-TiN复合粉体的相对密度影响比较大,随着烧结压力的增加,相对密度也逐渐增加,增加到一定程度后,基本保持不变,但是过高的烧结压力会减少模具的使用寿命。SPS最主要的特点就是烧结速度快,所以过长的保温时间对样品的性能也是不宜的。当微/纳米cBN-TiN复合粉体的体积分数为15vol.%、烧结温度为700℃、烧结压力为30MPa,保温时间为5min时,得到的复合材料的综合性能较优,在此条件下得到的复合材料的相对密度为96%、显微硬度为1273.6 MPa、抗弯强度为423-3MPa、电阻率为2.28×10-8Ω·m、磨损量为0.54mg/m。其复合材料的显微硬度较纯铜的874.8MPa有明显增加。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 图和附表清单
  • 1 文献综述
  • 1.1 本课题研究背景
  • 1.2 立方氮化硼基复合材料的研究进展
  • 1.2.1 cBN的结构与性能
  • 1.2.2 国内外研究进展
  • 1.3 TiN颗粒增强复合材料的研究进展
  • 1.3.1 TiN的结构与性质
  • 1.3.2 国内外研究进展
  • 1.4 颗粒增强铜基复合材料的研究进展
  • 1.4.1 颗粒增强铜基复合材料
  • 1.4.2 颗粒增强铜基复合材料的增强体
  • 1.5 本课题研究思路、研究内容和创新点
  • 1.5.1 本课题研究思路
  • 1.5.2 本课题研究内容
  • 1.5.3 本课题的创新点
  • 2 实验原材料、实验方案及测试方法
  • 2.1 实验原料及设备
  • 2.1.1 实验原料
  • 2.1.2 实验原料表征
  • 2.1.3 实验仪器设备
  • 2.2 实验方案
  • 2复合粉体的制备'>2.2.1 微/纳米cBN-TiO2复合粉体的制备
  • 2.2.2 微/纳米cBN-TiN复合粉体的制备
  • 2.2.3 cBN-TiN增强铜基复合材料的制备
  • 2.3 性能测试及微观组织分析
  • 2.3.1 性能测试
  • 2.3.2 微观组织分析
  • 2.3.3 结构分析
  • 2复合粉体的制备'>3 微/纳米cBN-TiO2复合粉体的制备
  • 2前驱体制备的影响因素分析'>3.1 微/纳米cBN-TiO2前驱体制备的影响因素分析
  • 2前驱体'>3.1.1 溶胶-凝胶法制备微/纳米cBN-TiO2前驱体
  • 2前驱体'>3.1.2 球磨法制备微/纳米cBN-TiO2前驱体
  • 4水解制备微/纳米cBN-TiO2前驱体'>3.1.3 TiCl4水解制备微/纳米cBN-TiO2前驱体
  • 2复合粉体的性能表征'>3.2 微/纳米cBN-TiO2复合粉体的性能表征
  • 3.2.1 FT-IR分析
  • 3.2.2 TG-DTA测试分析
  • 3.2.3 煅烧工艺
  • 3.2.4 形貌分析
  • 3.3 本章小结
  • 4 微/纳米cBN-TiN复合粉体的制备及性能表征
  • 4.1 微/纳米cBN-TiN复合粉体的性能表征
  • 4.1.1 氮化温度和时间对制备工艺的影响
  • 4.1.2 形貌分析
  • 4.1.3 激光粒度分析
  • 4.1.4 比表面积分析
  • 4.1.5 TG-DTA分析
  • 4.2 机理研究（小结）
  • 5 cBN-TiN增强铜基复合材料的制备
  • 5.1 cBN-TiN含量对复合材料性能与结构的影响
  • 5.1.1 相对密度
  • 5.1.2 显微硬度
  • 5.1.3 抗弯强度
  • 5.1.4 电阻率
  • 5.1.5 摩擦磨损性能分析
  • 5.1.6 微观结构分析
  • 5.1.7 金相组织分析
  • 5.2 烧结温度对复合材料性能与结构的影响
  • 5.2.1 相对密度
  • 5.2.2 显微硬度
  • 5.2.3 抗弯强度
  • 5.2.4 电阻率
  • 5.2.5 摩擦磨损性能分析
  • 5.2.6 微观结构分析
  • 5.2.7 金相组织分析
  • 5.3 烧结压力对复合材料性能与结构的影响
  • 5.3.1 相对密度
  • 5.3.2 显微硬度
  • 5.3.3 抗弯强度
  • 5.3.4 电阻率
  • 5.3.5 摩擦磨损性能分析
  • 5.3.6 微观结构分析
  • 5.4 保温时间对复合材料性能与结构的影响
  • 5.4.1 相对密度
  • 5.4.2 显微硬度
  • 5.4.3 抗弯强度
  • 5.4.4 电阻率
  • 5.5 本章小结
  • 6 全文结论及展望
  • 参考文献
  • 个人简历
  • 硕士期间取得的主要成绩
  • 致谢

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