利用SHS技术与HCl过滤法在不同温度下生产TiB2 ——SPS技术烧结特性的表征与研究外文翻译资料

 2022-01-07 10:01

英语原文共 8 页,剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


利用SHS技术与HCl过滤法在不同温度下生产TiB2

——SPS技术烧结特性的表征与研究

Meltem İpekccedil;ia, Selccedil;uk Acarb, Mustafa Elmadağlıc, Juuml;rgen Hennicked, Ouml;zge Balcıa

Mehmet Somera

a 土耳其Koccedil;大学化学系,地址:土耳其伊斯坦布尔市Sarıyer区Rumelifeneri Yolu路,邮政编码:34450。Rumelifeneri Yolu, 34450 Sarıyer, Istanbul, Turkey

b 土耳其Pavezyum化学公司,地址:土耳其伊斯坦布尔市Tuzla区

c 土耳其Roketsan导弹工业公司的材料与弹道保护技术部,地址:土耳其安卡拉Elmadağ区, 邮政编码:06780

d 德国FCT Systeme, Frankenblick

摘要

本文通过自蔓延高温合成技术(SHS)来制备亚微米级的TiB2陶瓷粉末,然后在不同温度下进行 HCl 溶液侵蚀。通过使用辅助烧结技术/放电等离子体烧结技术(FAST/SPS)来获得最佳工艺,从而获得最佳的式样。通过X射线衍射仪测试(XRD)和扫描电子显微镜测试(SEM),对样品粉末和烧结后的样品进行相和微观结构的结构分析、化学分析和粒度分析。通过电感耦合等离子体的质谱技术(ICP-MS)和动态光散射技术(DLS)对样品进行测量。根据密度和显微硬度的结果来确定烧结样品的最终性能。研究了不同温度下HCl溶液侵蚀对由SHS技术烧结的TiB2粉末的微观结构,粒度,纯度和烧结行为的影响。SHS反应是以TiO2-B2O3-Mg 粉末为原始混合物生成MgO,Mg3(BO3)2和MgO这三种物质。Mg是所需相TiB2的杂质。在通过进行热HCl的侵蚀后,可以完全除去三种含镁的副产物。SHS反应后生成的TiB2粉末可在80℃温度下用9.3M 的HCl浸提30分钟,显示最小纯度为98.4%,均匀的粒度分布,平均粒径为536纳米。在本次的SPS烧结实验中,在50MPa的压力下1500℃温度下烧结保温5分钟,实现了94.9%的相对密度和24.56GPa的显微硬度值。

1概述

二硼化钛(TiB2)是目前最为重要的功能陶瓷之一,具有高熔点、高强度、低密度、耐磨性强、耐腐蚀和抗热冲击性等优点,也有着良好的稳定性、导热性和导电性[1-3]。根据Ti-B的相图,TiB2是一种十分稳定的化合物,它的熔点为3225℃[4]。其高硬度是由于共价B-B键的存在以及AlB2型晶体结构与Ti-B强烈的吸引作用[3-4]。由于其优秀的力学性能、物理性能和化学性能,TiB2可用作高温模具的制造材料、弹道装甲材料、切割工具材料、核棒材料、耐磨涂层、铝电化学处理阴极、铝铸件中的颗粒、高温套管以及陶瓷基复合材料或金属基复合材料中的增强剂等[3,5-8]

许多工艺方法都可以用于制造TiB2陶瓷粉末,例如,使用高温方法发生固态反应,硼的热还原以及碳的热还原、熔盐电解、溶剂热反应、气相燃烧合成、化学气相沉积、球磨以及化学合成[1,2,7-15]。然而,由于反应物的低产率、高成本或者需要昂贵的设备[7],这些方法大多数不适合于工业化的量产。比较经济的做法是,在Ar气氛下[9],1600℃到2100℃之间的温度范围内,通过碳的热还原用TiO2 和氧化硼反应,就可以获得二硼化钛产物。目前,高效提纯生产低粒径TiB2粉末的主要限制因素是过长的反应时间以及复杂设备难以使用[1,7]。自蔓延高温合成(SHS)或体积燃烧合成(VCS)已被指定为替代的节能方法,两者都可用于大规模的生产许多化合物[5,16-21]。与碳热技术相比,SHS具有许多的优点,例如,能量损失少、效率高、加工设备方便、无需额外的工艺就能够轻松地烧结出高纯度的产品[16,17]。在SHS炉中,会发生强烈放热的燃烧反应,主要是由电学/化学能量装置或者是点火引发,并且通过利用燃烧反应释放的热能使反应持续[19,20]。SHS技术在现有文献中已被报道为制备TiB2和TiB2基陶瓷粉末的经济新方法[5,16-23]:典型的燃烧合成系统是TiO2-B2O3-Mg,其中对反应物生成阶段的影响已经经过了广泛的研究[19,20],例如,反应物混合物的组成、粒度和形状、稀释剂添加剂(KCl,NaCl 等)的类型和量对TiB2合成的影响[5,20,21]。此外,还特别讨论了SHS样品的侵蚀过程以消除副产物;然而,目前,仍然缺乏关于如何确定可靠的浸出参数以获得高纯度TiB2粉末的相关资料[22,23]

TiB2的烧结是其技术应用的关键问题,由于其共价键合、高熔融温度和低自蔓延速率使烧结方法受到限制[3,6],因此,使用热压(HP)、热等静压(HIP)或放电等离子体烧结(SPS)技术来固结 TiB2 粉末[24-29]。一些烧结助剂(例如,Ni和Fe)已被用于改善烧结行为[30]。据报道,高纯度和粒度细的原料用于烧结,这在获得高密度产品中起着至关重要的作用[17,27-29,31]。进一步的研究表明,与工业化生产粉末相比,SHS 技术制备的纳米结晶TiB2 粉末具有更高的致密度[17,24]。另一方面,关于使用SPS技术烧结燃烧合成的TiB2陶瓷的报道也非常有限[17]

在目前的研究中,通过SHS制造亚微米和高纯度的TiB2陶瓷粉末,然后在不同温度下用HCl浸出。用SPS技术研究了采用最佳烧结的温度。

2.实验过程

2.1粉料加工

在本次实验中,使用TiO2(Sigma Aldrich公司生产,gt; 99%纯度),B2O3(Eti Maden公司生产,gt; 98%纯度)和Mg(Sigma Aldrich公司生产,gt; 99%纯度)粉末作为起始原料。 根据化学方程式(1)中给出的反应制备了大约 50g左右的反应物粉末混合物。使用轧机装置,混合TiO2和 B2O3粉末约30分钟。然后,将Mg粉加入混合物中并且利用Turbula型混合器这些粉末均匀混合。

TiO2 B2O3 5Mg → TiB2 5MgO (1)

SHS实验是在一个简单、构造简易的低价燃烧系统(即放置在钢制水冷罐中的反应器)中进行的。SHS布置的示意图如图1所示。将制备好的粉末混合物[图1(h)]装入钢坩埚[图1(g)]中,钢坩埚又放入钢坩埚中的反应堆中准备反应[图1(f)]。关闭反应器后,将Ar气加入系统[图 1(a)],流速为10升/分钟。在5分钟内,空气被惰性气体取代,混合物被氢气喷枪点燃[图1(c)]。在 SHS 实验期间使用Ar是必须的,这样可以防止原料被氧化。由于Mg和 TiO2的混合物是典型的铝热剂,因此,强烈的燃烧反应在其自身上发生并在约15 秒的短时间内终止。水冷罐的冷却时间相对较长,会持续45 - 60分钟。 在室温情况下热HCl浸出,以除去不需要的副产物MgO,Mg3[BO3]2 和金属 Mg。在 9.3M HCl 溶液中分别对室温,70℃和80℃下进行浸出30分钟。

图1 SHS布置的示意图

(a)进气口;(b)出气口;(c)点火窗;(d)水冷罐;(e)密封钢盖

(f)钢反应器;(g)钢坩埚;(h)制备的粉末混合物

2.2烧结

使用最佳工艺参数获得的高纯度粉末通过使用辅助烧结技术/放电等离子体烧结(FAST / SPS)系统型HPD 25(德国FCT Systeme公司生产)炉子进行固化。将粉末装入内径40mm的石墨模具中。抽真空并施加50MPa的单轴压力后,将粉末压成块以50K /min的加热速率加热至1500℃。保温5分钟后,释放压力,然后冷却室温。

2.3实验分析

使用Bruker D2 Phaser 粉末衍射仪进行粉末和烧结样品的相分析,其中,CuKalpha;辐射在20-90°的2theta;范围内,波长为0.02°,速率为2°/min。通过使用与色散X射线光谱仪(EDS)和Zeiss EVO LS15扫描电子显微镜(SEM)来进行粉末和烧结产品的微观结构表征。使用Agilent 7700x电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和Malvern ZS Zetasizer动态光散射(DLS)技术来分别进行粉末的化学分析和粒度测量。从Ti、B和Mg的元素分析与ICP-MS测量计算获得所得粉末的纯度。为了实现SEM分析和维氏显微硬度测量需要对样品进行抛光,对烧结样品进行典型的金相制备程序(安装、固定和抛光)。在抛光和破裂之后对样品进行SEM测试。使用阿基米德法在乙醇中测量密度,将相同样品的三次测量值的平均值作为结果报告。使用 Shimadzu HMV 显微测试硬度在200g的载荷下进行维氏显微硬度测量15秒。 每个样品的显微硬度测试结果都包括20个连续压痕和标准偏差的算术平均值。

3.结果与讨论

3.1粉末的相和微观结构分析

图 2 显示了SHS反应后TiO2-B2O3-Mg 粉末的XRD图。观察TiB2(ICDD 卡号:07-0275),MgO(ICDD卡号:45-0946),Mg3(BO3)2(ICDD 卡号:04-008-3201)和 Mg相(ICDD 卡号:35-0821)。这表明TiO 2、B2O3和 Mg 的初期阶段发生反应,这就导致 TiB2和MgO作为主要相。这也与方程式中给出的反应不同。表1中产生MgO相作为唯一的副产物,形成少量的Mg3(BO3)2,有未反应的Mg残留。不过这是正常现象,因为远离平衡条件的SHS反应引发的实际反应的产物可能不完全符合理想情况的产物。另一方面,在XRD的检测中,在Ti-Mg,B-Mg,Ti-Mg-O 和Ti-B-O之间没有剩余的TiO2和没有其他反应物。在SHS中TiB2粉末中已经报道了在点火期间是由MgO和B2O3之间的反应产生的硼酸镁相的形成[18-22]。先前提到过,添加过量的Mg粉可以减少产生的硼酸镁相[20]。然而,在目前的情况下,SHS样品中仍包含少量未反应的Mg(图 2)。以往的结果表明,Mg2TiO4相也是由未反应的TiO2和MgO之间的反应形成的,即使酸浸后仍然是主要杂质[18,19,21]。显然,在点火阶段中TiO2的完全反应阻止了进一步形成耐酸的Ti基副产物,例如 Mg2TiO4[20]。图2中不存在钛酸镁相很可能与粉末制备阶段有关,其中通过机械混合/Turbula 混合制备起始材料并获得反应物的均匀分布。此外,粉末颗粒有着较高均一性,反应性并且接触面积较高,因此可以降低燃烧温度,反应温度和燃烧速度[20]

表1 在不同温度下经过HCl侵蚀后SHS样品的平均粒径与纯度

全文共8248字,剩余内容已隐藏,支付完成后下载完整资料


资料编号:[1936]

侵蚀温度

平均粒径(mm)

纯度(%)

室温

487

gt;90

70℃

645

gt;96.5

原文和译文剩余内容已隐藏,您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容!立即支付

以上是毕业论文外文翻译,课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。