原位合成TiB2/Cu复合陶瓷材料及致密性研究
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【摘 要】本文希望通过微波烧结的方法来制备TiB2/Cu复合材料，并试图分析复合材料中铜（Cu）的质量分数不同时，这种复合材料的致密度变化趋势变化。
【关键词】二硼化钛；复合材料；微波烧结；致密性
0 引言
陶瓷在高温条件下仍具有很高的硬度，但是陶瓷的脆性限制了它的应用。为了改善其性能，可采用液态金属铜（Cu）作粘结剂，促使陶瓷的硬质相致密化，从而提高陶瓷的性能。研究发现，随着Cu含量的变化，TiB2颗粒之间的孔隙逐渐被金属相填充，使其致密性、韧性、强度都得到很大的提高。
通过TiB2基体内部利用元素间或元素与复合相间的化学反应合成强化相。于是将Ti粉、B粉和Cu粉按Ti+2B+xCu―>TiB2+xCu反应方程式进行配料。利用球磨机在无氧条件下球磨样品粉末5h，充分混合后真空干燥。干燥后将粉末放置于压力机中，梯度增压到20MPa，保压5min后取出压片，以同样的方法分别压制3组含铜量为15%、25%和35%的样品压片，经适当的烧结制取TiB2/Cu复合材料。
2 XRD射线测试分析与总结
已知在烧结过程中，Ti、B及Cu可能会发生以下化学反应：
2Ti + O2 = 2TiO
Ti + O2 = TiO2
4Ti + 3O2 = 2Ti2O3
Ti + 2B = TiB2
Ti + B = TiB
为了确定合成产物的反应方向和最终相，对上式反应的反应自由能进行了理论计算。计算后发现在TiB2，TiB及TiCu三种可能产物中，TiB2的反应自由能最低。这说明在Ti-B-Cu体系中，TiB2是在理论上最稳定的相。根据自由能计算参考数据可知，TiCu是可以可按下式和B反应而转变为TiB2。反应式如下：
TiCu + 2B = TiB2 + Cu
通过用XRD射线测试后所得到的衍射峰的强度和衍射峰的数目可以看出，如图1所得到的XRD射线测试的峰值图，图中含有TiB2和Cu，于是可以确定，通过用原位合成的方法能够得到TiB2/Cu复合材料，根据成分配比，TiB2颗粒的体积分数应达到80%左右。这一结果基本满足要求。但同时在样品中也发现有少量TiO、TiO2、CuO、TiB等杂质，可能与烧结过程发生氧化有关。
图1 样品复合材料X射线谱
3 金相显微镜的测试与分析
通过金相显微镜的测试，我们根据3组对照实验可以发现：随着Cu含量的增加，TiB2复合材料的颗粒逐渐变小，空洞也在减少。如图2所示的3组电子扫描的图片。三组对比试验可以发现，金属确实能够改变TiB2陶瓷的致密性。
图2 3组Cu含量为15%（a）、25%（b）、35%（c）的电子扫描的图片
由图2给出的3组分别含Cu15%、25%和35%的TiB2/Cu复合陶瓷的扫描照片。其中，灰色是TiB2相，白色是Cu相，黑色是孔洞。孔洞的存在主要来源于可能是在烧结过程中杂质或单质硼（B）的挥发造成。从图中可以看出，该组织较为致密，仅有少量孔洞。同时从图中可以看出，随着Cu含量的增加，TiB2颗粒的尺寸逐渐减小。可能是随着Cu含量的增加，体系中的液相逐渐增多，抑制了TiB2颗粒的长大，另外随着Cu含量的增加，金属铜填充了陶瓷的空洞。
4 密度的测定与分析
用阿基米德排水法来测量复合材料的密度。利用浸在液体里的物体受到向上的浮力作用，浮力的大小等于被该物体排开的液体的重力的原理，实现对陶瓷材料密度的测量。利用式F浮=ρ水gV排，分别计算出15%、25%和35%的陶瓷复合材料的密度是6.32g/cm3，6.54g/cm3和7.03g/cm3。根据密度测定可以发现：随着铜质量分数的增加，TiB2复合材料的密度也随之增加。同时，由密度可以得出材料的相对密度，于是根据铜质量分数不同时，材料相对密度的变化。可以看出：随着Cu含量的不断增加，致密度呈逐渐增加趋势，但是增加幅度逐渐变缓。
5 结束语
（1）将Ti粉、B粉和Cu粉按照一定的比例混合，通过原位合成的方法是能够得到一定量的TiB2/Cu陶瓷材料；
（2）在TiB2陶瓷中添加金属（Cu）粘结剂是能够改变陶瓷材料的一些性能包括致密性。
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