SPS技術燒結制備鈦鋁碳陶瓷復合材料
本論文利用放電等離子快速燒結新技術制備了一系列的鈦鋁碳陶瓷復合材料,然后采用熱重分析儀、X-射線衍射儀、電子掃描電鏡、固體密度儀、磨耗比測量儀和維氏硬度計等測試設備,對樣品的物相結構、微觀形貌、磨耗比和硬度等性能進行了相應的表征分析。主要的研究內容包括如下四個方面:（1）當cBN含量范圍為10<sup>4</sup>0wt%,隨著cBN含量的降低,合成復合材料的密度和硬度均增大。
在燒結溫度區間1200<sup>1</sup>300℃,提高燒結溫度制得復合材料的相對密度和硬度增大,微觀形貌圖表明cBN晶形完整且以鑲嵌的方式存在于基體中;在燒結溫度為1400℃時,cBN加劇軟化且晶粒表面生成了較厚過渡層（AlN和TiB2）,過渡層過厚會降低復合材料的力學性能;提高溫度為1500℃時,復合材料的密度和硬度降低,微觀形貌圖表明cBN顆粒受到鈦鋁碳嚴重腐蝕且出現碎裂,導致復合材料的力學性能惡化。當cBN含量為10wt%時,在溫度區間1200<sup>1</sup>300℃和壓力30MPa條件下,制得復合材料的力學性能優異,密度高達4.33g/cm3,硬度高達3000HV1,磨耗比為4.8。
（2）在燒結溫度1200℃和壓力30MPa條件下,當金剛石含量為50<sup>6</sup>0wt%時,金剛石含量偏高導致復合材料中存在大量空洞,進而導致復合材料的密度和硬度降低。當金剛石含量為30wt%和40wt%時,復合材料具有較高的密度和硬度,且石墨化程度較低,提高燒結溫度為1400℃,發現金剛石顆粒表面出現較厚的石墨層,金剛石的衍射峰減弱,且石墨衍射峰明顯增強。
提高溫度為1500℃時,金剛石衍射峰消失,石墨衍射峰最強,微觀形貌圖中金剛石失去了規則晶體形狀,復合材料的硬度和密度降為最低。在燒結溫度為1100<sup>1</sup>200℃和壓力30MPa條件下,當金剛石含量為40wt%時,制得樣品中金剛石石墨化程度較低且晶形完整,金剛石顆粒被完全包覆,樣品密度約3.73g/cm3,磨耗比高達1550。
（3）將二硼化鈦和鈦鋁碳微粉混合均勻后,在燒結溫度區間1200<sup>1</sup>600℃和壓力30<sup>7</sup>0MPa條件下制得二硼化鈦/鈦鋁碳陶瓷復合材料。結果發現在壓力30MPa條件下,添加二硼化鈦含量為70<sup>9</sup>0wt%時,制得的陶瓷復合材料的微觀形貌中存在較多空洞,密度偏低,硬度低于670HV1;當添加的二硼化鈦含量為60wt%時,在燒結溫度1200℃條件下制得復合材料的微觀結構中空洞數量降低且空徑變小,硬度高達1070HV1;當燒結溫度為1600℃時,制得復合材料60TiB2的微觀形貌中空洞消失,密度高達4.39g/cm3,硬度約2300HV1,磨耗比約1.1。
（4）采用氧化鋁和鈦鋁碳微粉為原料制備氧化鋁/鈦鋁碳陶瓷復合材料,結果發現降低Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的含量,復合材料的密度增大。當制得復合材料的密度小于3.84g/cm3時,樣品均表現為硬度偏低且微觀形貌致密性較差;當Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>含量為60wt%時,在低溫1100℃就可以得到較高的密度和硬度,復合材材料60Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的微觀結構致密,但仍存在微量的空洞;提高燒結溫度為1400℃和50MPa條件下,制得復合材料60Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的微觀結構的致密度提高,空洞消失,鈦鋁碳完全分解為碳化鈦,氧化鋁以鑲嵌在碳化鈦基體中,使得復合材料60Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>具有較高的硬度、密度和磨耗比,密度約4.45g/cm3,硬度約1800HV1,磨耗比高達0.95。