Ti-C疊層材料的反應(yīng)合成制備.pdf

1、自然界中的一些天然生物材料都是經(jīng)過億萬年進(jìn)化的結(jié)果才使得它們具有特殊結(jié)構(gòu)和優(yōu)異性能的最佳匹配。疊層材料就是人們模擬自然界貝殼、珍珠層的結(jié)構(gòu)而設(shè)計出的一種仿生結(jié)構(gòu)材料，其獨特的層狀結(jié)構(gòu)可以讓研究者從宏觀結(jié)構(gòu)上對材料進(jìn)行優(yōu)化沒計，從而制得性能優(yōu)越的新型復(fù)合材料。目前，美國、英國、德國和日本等國家都把仿生疊層復(fù)合材料作為研究的重點，并試圖把它們廣泛應(yīng)用到飛機、汽車和坦克車的部件上。因此，疊層材料已成為一個重要的研究方向。
　　本文以金屬

2、Ti片和C紙作為原材料，采用放電等離子快速燒結(jié)技術(shù)(SPS)制備Ti/C疊層復(fù)合材料，主要研究了工藝參數(shù)對疊層材料反應(yīng)界面的影響，并對疊層材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測試表征，此外還探索研究了Ti片和TiC混合粉疊層的制備和表征，研究結(jié)果表明：
　　本實驗采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)成功制備出了具有三層交替排列且結(jié)構(gòu)特征明顯的Ti/TiC/C疊層復(fù)合材料，且Ti/C界面處的反應(yīng)屬于擴散式反應(yīng)。在界面結(jié)合部位，C元素和Ti元素都發(fā)生了一定的擴散，

3、C層向Ti層擴散的程度要大于Ti層向C層擴散的程度。隨著燒結(jié)溫度(1400℃~1510℃)的升高，界面處的反應(yīng)層變厚。1510℃是這種條件下燒結(jié)所能達(dá)到的最高燒結(jié)溫度。燒結(jié)壓力越高，C原子與Ti原子在界面處的反應(yīng)擴散越容易，但壓力過高會把材料的反應(yīng)層擠變形。隨Ti/C層厚比的增大，C層與Ti層之間的界面過渡層越模糊，界面結(jié)合越好。
　　Ti/C疊層材料界面反應(yīng)層的主要物相成分為C和TiC。隨著燒結(jié)溫度的升高，反應(yīng)層厚度值從1400

4、℃的17.73μm增至1510℃的34.98μm，當(dāng)燒結(jié)溫度高于1510℃時，疊層材料中的Ti就會出現(xiàn)部分熔融現(xiàn)象。隨著燒結(jié)壓力的增加，擴散反應(yīng)層也有增厚的趨勢，反應(yīng)層厚度值在20MPa時有最大值34.41μm。但壓力過高C層會出現(xiàn)局部斷裂，就不能制備出疊層材料。當(dāng)Ti/C層厚比逐漸增大時，擴散反應(yīng)層厚也會增加，反應(yīng)層厚度值最大增至Ti/C層厚比為3.5:1的33.58μm。
　　通過對Ti/C疊層材料的力學(xué)性能進(jìn)行測試表征，得出

5、制備這種疊層材料的最佳工藝條件如下：當(dāng)燒結(jié)溫度為1510℃時，抗彎強度值為1478.23MPa，通過計算比較分析得知，此時，疊層材料的斷裂功有最大值215.09×103J/m2；當(dāng)燒結(jié)壓力達(dá)到20MPa時，疊層材料的抗彎強度最高可達(dá)3939.19MPa，此時疊層材料的斷裂功也達(dá)到最大值540.16×103J/m2；當(dāng)Ti/C層厚比為3時，疊層材料的抗彎強度最高可達(dá)3494.52MPa，斷裂功也有最高值614.89×103J/m2。Ti/

6、C疊層材料的裂紋擴展路徑主要有裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋并行擴展和裂紋尖端的分叉鈍化，這些擴展路徑是疊層材料增韌的主要機制。
　　本文還探索了以Ti粉和炭黑的混合粉做中間層粉料，與金屬Ti片疊加，用放電等離子燒結(jié)制備出了Ti/TiC疊層材料，結(jié)果表明：金屬Ti片與中間層TiC混合粉在界面處發(fā)生了擴散反應(yīng)，且燒結(jié)溫度越高，界面反應(yīng)層越模糊，擴散反應(yīng)進(jìn)行的越充分，但這種擴散反應(yīng)進(jìn)行的越充分，這種疊層材料的層狀結(jié)構(gòu)就越不明顯了。通過對所制得的試樣進(jìn)