纳米Ni/微米TiB2包覆颗粒的Hybridization制备与烧结特性

论文摘要

金属陶瓷是一种由金属或者合金同一种或者几种陶瓷相所组成的非均质的复合材料。它既保持有陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又有较好的金属韧性和可塑性，是一类应用广泛的复合材料。TiB2陶瓷由于具有极高的熔点、硬度和优良的导电性、化学稳定性与耐腐蚀性、韧性好及比重轻等优异性能，使其成为制备金属陶瓷复合材料的优异候选材料。但由于TiB2陶瓷和大多数金属的润湿性都不好，使TiB2基金属陶瓷烧结时致密化过程困难。金属Ni是和TiB2陶瓷润湿性较好的金属之一，如何得到高致密度的TiB2-Ni金属陶瓷对TiB2基金属陶瓷的制备和烧结具有重要的指导意义。 Hybridization（简称HYB）系统是由日本科学家Masumi Koishi和Hirotaka Honda等在1986年提出的高速气流冲击式粉体表面改性系统。物料在HYB系统的高速转子、气流等共同作用下被迅速分散，并受到强大的冲击力作用，同时也包括受到粒子间相互作用的压缩、摩擦、剪切、撞击等多种力的作用，在短时间（1～10min）内均匀地完成固定、成膜或球形化处理。已有的研究表明：HYB系统可制备纳米级颗粒包覆在微米级颗粒的表面形成良好的包覆结构。 本文在改进传统混合方法制备TiB2-Ni金属陶瓷混合粉的基础上，利用HYB系统采用不同的工艺条件制备得到纳米Ni/微米TiB2包覆颗粒的包覆粉和混合包覆粉。首先从理论计算和模拟的角度上证明了制备纳米Ni/微米TiB2包覆颗粒的可行性。其后在研究不同工艺条件对HYB制备过程和产物粉末结构的影响关系的同时，也研究了混合粉、包覆粉、混合包覆粉的特性。最后采用热压烧结方法和SPS技术对混合粉和混合包覆粉进行了烧结，并对烧结体的结构和性能做了对比。 理论计算和模拟结果证明：纳米Ni颗粒碰撞TiB2颗粒可以形成单层或者多层的包覆结构。随着碰撞速度的提高和碰撞角度的增大，越有利于形成薄膜结构而且薄膜的厚度在减小。速度为200m/s时80nm粒径的Ni颗粒可形成厚度为10.5nm的单层薄膜结构和厚度为21nm的两层薄膜结构。而纳米Al2O3颗粒不管以任何速度和角度碰撞TiB2颗粒都不可能形成单层和多层包覆结构。 对不同工艺条件对HYB制备过程和产物粉末结构影响关系的研究结果表明：制备包覆粉和混合包覆粉时，HYB温度随转速的提高而升高；HYB温度随时间的延长先升高到一个平台而后下降；HYB回收量随转速的提高而升高；包覆粉HYB回收量随时间的延长影响不大，而混合包覆粉HYB回收量随时间的延长而增大。由于包覆粉温度升的更高，使得部分包覆粉中纳米Ni被氧化；而混合包覆粉因为温度升高的较低没有发现纳米Ni氧化。包覆粉和混合包覆粉的

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 2基金属陶瓷及其研究现状'>1.1 TiB₂基金属陶瓷及其研究现状
• 2-Cr体系'>1.1.1 TiB₂-Cr体系
• 2-Fe体系'>1.1.2 TiB₂-Fe体系
• 2-Ni体系'>1.1.3 TiB₂-Ni体系
• 2-Al体系'>1.1.4 TiB₂-Al体系
• 2-Cu体系'>1.1.5 TiB₂-Cu体系
• 2-多金属体系'>1.1.6 TiB₂-多金属体系
• 1.2 HYB系统及其研究现状
• 1.2.1 HYB系统
• 1.2.2 HYB系统研究现状
• 1.3 SPS烧结技术在金属陶瓷中的应用
• 1.3.1 金属增韧陶瓷基复合材料
• 1.3.2 陶瓷强化金属基复合材料
• 1.3.3 金属陶瓷梯度复合材料
• 1.4 本文的选题及研究思路
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究方法
• 第二章 HYB包覆过程的理论计算和模拟
• 2.1 HYB系统固相包覆的基本物理模型
• 2.2 HYB系统固相包覆模型的数学表述
• 2.3 材料模型
• 2.3.1 金属粒子的材料模型
• 2的材料模型'>2.3.2 陶瓷TiB₂的材料模型
• 2.3.3 陶瓷/金属颗粒复合材料模型
• 2.4 模型一
• 2.4.1 垂直碰撞
• 2.4.2 60°角度碰撞
• 2.4.3 30°角度碰撞
• 2.5 模型二
• 2.5.1 中部碰撞
• 2.5.1.1 垂直碰撞
• 2.5.1.2 60°角度碰撞
• 2.5.1.3 30°角度碰撞
• 2.5.2 边缘碰撞
• 2.5.2.1 垂直碰撞
• 2.5.2.2 60°角度碰撞
• 2.5.2.3 30°角度碰撞
• 2O₃模型'>2.6 Al₂O₃模型
• 2.6.1 单球垂直碰撞
• 2.6.2 双球垂直碰撞
• 2.7 小结
• 2-Ni金属陶瓷粉末的制备及其特性'>第三章 TiB₂-Ni金属陶瓷粉末的制备及其特性
• 3.1 实验方法
• 3.2 混合粉
• 3.3 包覆粉
• 3.3.1 转速和时间对HYB温度的影响
• 3.3.2 转速和时间对HYB回收量的影响
• 3.3.3 转速和时间对HYB产物成分的影响
• 3.3.4 转速和时间对HYB产物包覆结构的影响
• 3.4 混合包覆粉
• 3.4.1 转速和时间对HYB温度的影响
• 3.4.2 转速和时间对HYB回收量的影响
• 3.4.3 转速和时间对HYB产物成分的影响
• 3.4.4 转速和时间对HYB产物包覆结构的影响
• 3.5 混合粉、包覆粉、混合包覆粉特性比较
• 3.5.1 粉末压缩性能
• 3.5.2 粉末抗氧化增重性能
• 3.5.3 粉末XPS分析
• 3.6 投料量的影响
• 3.6.1 投料量对HYB温度的影响
• 3.6.2 投料量对HYB回收率的影响
• 3.6.3 投料量对HYB产物成分的影响
• 3.6.4 投料量对HYB产物包覆结构的影响
• 3.7 小结
• 2-Ni金属陶瓷粉末的烧结和性能'>第四章 TiB₂-Ni金属陶瓷粉末的烧结和性能
• 4.1 实验方法
• 4.2 热压烧结
• 4.2.1 混合粉热压烧结
• 4.2.2 混合包覆粉热压烧结
• 4.3 SPS烧结
• 4.2.1 混合粉SPS烧结
• 4.2.2 混合包覆粉SPS烧结
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间发表的论文及专利
• 致谢