原位合成TiB2/Cu复合陶瓷材料及致密性研究

张玉锋

(徐州机电工程高等职业学校 数控系，江苏 徐州221011)

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。

1 原位合成制备TiB2/Cu 陶瓷

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:

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：

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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