放電等離子燒結制備金剛石/鈦鋁碳復合材料

張旺璽,徐世帥,王艷芝,羅 偉,梁寶巖,馮燕翔,韓丹輝

(1.中原工學院材料與化工學院,鄭州451191;2.中原工學院建筑工程學院,河南鄭州451191; 3.四川化工職業技術學院化學工程系,四川瀘州646000)

放電等離子燒結制備金剛石/鈦鋁碳復合材料

張旺璽1,徐世帥1,王艷芝2,羅 偉3,梁寶巖1,馮燕翔1,韓丹輝2

(1.中原工學院材料與化工學院,鄭州451191;2.中原工學院建筑工程學院,河南鄭州451191; 3.四川化工職業技術學院化學工程系,四川瀘州646000)

以金剛石微粉和鈦鋁碳微粉為原料,采用放電等離子燒結制備金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料。研究結果表明：在溫度1100℃～1200℃、30 MPa和金剛石含量為(30～60)wt.%條件下,制得金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料。當金剛石含量大于40wt%時,制得樣品的微觀結構中存在大量的空隙;當金剛石含量為(30～40)wt.%時,制得樣品微觀結構較致密。鈦鋁碳與金剛石作用分解為碳化鈦和少量的碳化鋁,金剛石能夠被反應產物表面包覆,包覆后鑲嵌于陶瓷基體中,復合材料密度達到3.7g/cm3,磨耗比約為1550。

金剛石;鈦鋁碳;放電等離子燒結;復合材料

金剛石是典型的正四面體晶體結構,具有最高硬度,除此外金剛石還具有疏水性、耐酸堿性、優良的光電性和高導熱性等[1],可用作大功率光電子器件和微波器件的散熱片、高光學透過性窗口、壓頭、傳感器和醫療儀器等[2,3]。金剛石優異的物理、電化學性能決定了其具有廣闊的應用領域,涉及從日用生活用品到醫療軍工高端產品。目前,主要利用金剛石的超硬特點,用來制備磨料磨具、鉆探工具、刀具、修正工具和拉絲模具等。

金剛石磨料磨具的結合劑主要有樹脂、金屬和陶瓷[4]。樹脂磨具加工性和自銳性較好,但耐熱性差、強度低且損耗快。金屬結合劑工具導熱性好、韌性好,但自銳性差。陶瓷結合劑具有優秀的熱化學穩定性、磨削效率高,但可加工性和韌性較差[5]。目前,人們往往采用改性處理來達到改善結合劑性能的目的,金屬陶瓷鈦鋁碳材料[6～8]具有導熱性好、易加工和耐熱化學穩定性、高強度等特點。本文采用鈦鋁碳為結合劑,利用放電等離子體燒結技術[9]制備金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料,研究了溫度和配比對復合材料微觀形貌、物相結構和力學性能的影響。

1 實驗

原料采用金剛石(20/140目)和Ti3AlC2微粉。按照質量比金剛石∶Ti3AlC2分別為3∶7(記為D30)、4∶6(記為D40)、5∶5(記為D50)和6∶4(記為D60)進行配料,將混合料在變頻行星型球磨機中進行球磨5 h,烘干3 h后得到均勻混合料。然后把一定質量的混合料倒入石墨模具(腔體Φ30mm)中,利用放電等離子燒結爐(SPS-40-10)快速燒結制得金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料(樣品厚度3～4mm, Φ30mm),升溫速率約200℃/min。利用固體密度儀測量樣品的相對密度變化。采用X-射線衍射儀(Rigaku Ultima IV,Cu靶)對樣品進行XRD物相分析。利用電子掃描顯微鏡(JSM-6700F)觀察微觀形貌。采用磨耗比測量儀測試樣品的磨耗比。

圖1 金剛石含量為40wt%混合料的熱重曲線Fig.1 TG curves of the mixtures with 40wt%diamond

2 結果與討論

2.1 金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料的熱重分析

從圖1中TG和DSC的曲線可以發現,混合料在升溫過程中重量變化不大,在1200℃和1350℃出現了放熱峰。在1200℃時鈦鋁碳微粉可能發生分解導致放熱,經X-射線物相分析可知,在1200℃鈦鋁碳分解成碳化鈦。當溫度達到1350℃時,鈦鋁碳與金剛石發生作用生成穩定化合物,金剛石在這時也會發生石墨化,物相分析表明有碳化鋁和石墨生成。

2.2 金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料的密度分析

從圖2可知,在1100℃～1200℃溫度區間內得到了相對較高密度的金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料,約3.7g/cm3,磨耗比高達1450。提高燒結溫度,金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料的密度逐漸下降,這是因為提高溫度會導致金剛石表面石墨化程度加劇,因此致密性差。

2.3 金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料XRD分析

從圖3可以發現,復合材料的主要物相為石墨、碳化鈦和少量的碳化鋁。當金剛石含量由30wt%提高到60wt%時,金剛石和石墨的特征衍射峰逐漸增強,在1200℃的條件下金剛石表面開始出現石墨化,石墨衍射峰隨金剛石含量增大變強。在燒結溫度1100℃時,樣品的主要物相為金剛石、碳化鈦和少量石墨。在1400℃時,金剛石發生石墨化,石墨化的碳原子與鈦鋁碳發生反應,形成了碳化鈦和碳化鋁,制得的復合材料的主要物相為碳化鈦、石墨、碳化鋁和金剛石。

圖3 a：在1200℃、30 MPa條件下,不同金剛石含量制得的金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料的XRD圖; b：在金剛石含量為40wt%的條件下,不同燒結溫度制得的復合材料的XRD圖

2.4 金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料的形貌分析

圖4為不同條件下制備的金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料的電鏡照片,可以發現金剛石鑲嵌于基體中,金剛石被完全包覆,金剛石表面凸凹不平且較粗糙,金剛石剝落后在基體上留下凹凸面,經EDS確認金剛石表面包裹物和基體凹面內部凸起部分物質的主要成分為TiC和Al4C3。鈦鋁碳發生分解,金剛石表面石墨化,金剛石表面的碳原子與鋁發生反應生成碳化鋁。研究發現在1200℃、30MPa條件下制得的金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料中,金剛石顆粒能夠被完好的包覆,但進一步提高溫度會導致金剛石石墨化程度變高,復合材料的孔隙率增大,力學性能變差。

圖4 不同燒結溫度下制得樣品40D的電鏡照片a1,a2,a3,a4：1200℃;b1：1300℃;b2：1400℃Fig.4 SEM images of sample 40D prepared under different temperatures.

3 結 論

采用鈦鋁碳和金剛石微粉為原料,利用放電等離子體燒結技術制備了金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料,在溫度為1100℃～1200℃、30MPa條件下,金剛石含量為40wt%,制得的金剛石/鈦鋁碳陶瓷復合材料具有較好的性能,相對密度約3.7g/cm3,磨耗比約為1550。

復合材料的物相為石墨、金剛石、碳化鈦和碳化鋁,提高燒結溫度金剛石石墨化加劇。

[1] 張壯飛.高溫高壓合成金剛石用新型鐵基觸媒材料的研究[D].吉林大學,2013.

[2] 王秦生,李利紅,林玉,等.國內外超硬材料制品的新發展[J].中原工學院學報,2013,24(6):36-39.

[3] 王秦生,林玉,李利紅,等.國內外超硬材料的新發展[J].中原工學院學報,2013,24(1):38-41.

[4] 王秦生,華勇,宋誠.金剛石樹脂磨具的改進[J].金剛石磨料與磨具工程,2004,24(4):25-30.

[5] 翟浩沖,萬隆,劉小磐,等.cBN陶瓷結合劑磨盤的研究[J].金剛石磨料與磨具工程,2010,30(4):33-37.

[6] 梁寶巖,張旺璽,王艷芝,等.微波燒結制備MAX相-金剛石復合材料[J].金剛石與磨料磨具工程,2016,36(1):25-30.

[7] 梁寶巖,王艷芝,張旺璽,等.微波反應快速合成Ti3AlC2和Ti2AlC材料[J].陶瓷學報,2015,36(5):476-480.

[8] H.B.Zhang,C.F.Hu,K.Sato,et al.Tailoring Ti3AlC2ceramic with high anisotropic physical and mechanical properties[J]. Journal of the European Ceramic Society,2015,35:393-397.

Diamond/Ti3AlC2Composite Prepared by Spark Plasma Sintering

ZHANG Wang-xi1,XU Shi-shuai1,WANG Yan-zhi2,LUO Wei3, LIANG Bao-yan1,FENG Yan-xiang1,HAN Dan-hui2
(1.School of Materials and Chemical Engineering,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou, Henan,China 451191;2.School of Civil Engineering&Architecture,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou,Henan,China 451191;3.Department of Chemical Engineering, Sichuan Vocational College of Chemical Technology,Luzhou,Sichuan,China 646000)

Diamond/Ti3Al C2ceramic composite has been prepared through spark plasma sintering with diamond and Ti3AlC2micro-powders as raw materials.Result shows that iamond/Ti3AlC2ceramic composite can be prepared under the conditions of 1100℃～1200℃,30 Mpa and(30～60)wt.%diamond content.When the diamond content is higher than 40wt%,abundant voids occur in the microstructure of the prepared samples; the microstructure of the prepared samples are relatively denser when diamond content is (30～40)wt.%.Ti3AlC2decomposes into TiC and a small amount Al4C3under the reaction with diamond and diamond is coated by the reaction product and inlaid into the ceramic matrix,and the density of the composite may reach 3.7g/cm3with a abrasive ratio of 1550.

diamond;Ti3AlC2;SPS;composite

TQ164

A

1673-1433(2017)01-0011-04

2016-10-16

國家自然基金(項目編號:51602356),河南省高校科技創新團隊(項目編號:15IRTSTHN004)和河南省教育廳自然科學計劃(項目編號:16A430049)資助

張旺璽,博士,教授。主要研究方向:金剛石和cBN超硬復合材料、纖維高分子材料制備與改性等。E-mail:zwx91zwx@163.com。

張旺璽,徐世帥,王艷芝,等.放電等離子燒結制備金剛石/鈦鋁碳復合材料[J].超硬材料工程,2017,29(1):11-14.