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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
電場(chǎng)輔助激活鈦基耐磨材料的制備
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)介：
陶瓷具有獨(dú)特的抗氧化性、耐磨損、耐腐蝕、高強(qiáng)度、高硬度和優(yōu)異的高溫力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，但其塑性差,冷加工困難,不易制成大型或形狀復(fù)雜的構(gòu)件；鈦具有重量輕、比強(qiáng)度高、耐金屬疲勞、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但其質(zhì)軟，不耐磨，加工條件復(fù)雜。如果將陶瓷同金屬接合在一起，就可以使產(chǎn)品既有陶瓷的長(zhǎng)處，又有金屬的優(yōu)點(diǎn)。
詳細(xì)介紹：
陶瓷材料具有金屬無(wú)法比擬的一些特性,如：高強(qiáng)度、耐熱、耐腐蝕、耐磨損、輕比強(qiáng)度等，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)和科技領(lǐng)域中,顯示了廣闊的應(yīng)用前景。但由于陶瓷材料本身質(zhì)脆的特性,大大限制了其應(yīng)用。因此，實(shí)現(xiàn)陶瓷與其他異種材料的有效連接必將進(jìn)一步擴(kuò)大陶瓷的應(yīng)用范圍,尤其在航空航天領(lǐng)域。然而，由于陶瓷和金屬是兩類(lèi)性質(zhì)不同的材料,相互結(jié)合時(shí)在界面上存在著化學(xué)及物理性能的差異,用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行連接時(shí)存在很多問(wèn)題：如，釬焊存在的主要問(wèn)題是陶瓷與普通金屬釬料潤(rùn)濕性差。 與傳統(tǒng)工藝相比，電場(chǎng)激活壓力輔助燃燒合成（FAPAS）技術(shù)是利用電場(chǎng)引發(fā)粉末燃燒的反應(yīng)，具有升溫速度快，燒結(jié)溫度低[2]，有利于形成細(xì)晶組織或非晶組織，能有效抑制顆粒長(zhǎng)大的優(yōu)點(diǎn)。本文采用FAPAS技術(shù)結(jié)合原位反應(yīng)的方法，以TiAl金屬間化合物為中間層對(duì)TiB2-TiC-Ni金屬陶瓷與Ti板進(jìn)行了連接試驗(yàn)，研究了TiB2-TiC-Ni/TiAl/Ti功能梯度材料的界面微結(jié)構(gòu)特征和連接性能。

作品圖片

  • 電場(chǎng)輔助激活鈦基耐磨材料的制備
  • 電場(chǎng)輔助激活鈦基耐磨材料的制備
  • 電場(chǎng)輔助激活鈦基耐磨材料的制備
  • 電場(chǎng)輔助激活鈦基耐磨材料的制備
  • 電場(chǎng)輔助激活鈦基耐磨材料的制備

作品專(zhuān)業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

提出高溫、快速、節(jié)能和實(shí)用的功能梯度材料擴(kuò)散焊接技術(shù)方案。①功能陶瓷材料（TiC，TiB等）與金屬Ti的梯度連接分設(shè)計(jì)及其前軀體材料機(jī)械合金化的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)；②解決異種材料連接時(shí)性能的失配以及界面處產(chǎn)生的應(yīng)力等問(wèn)題。研究方法及試驗(yàn)路線(xiàn)①按摩爾比對(duì)分體進(jìn)行混合配比；②用高能球磨機(jī)將粉末進(jìn)行機(jī)械化合金；③粉料冷壓成坯;④利用FAPAS真空爐進(jìn)行燃燒合成；⑤微觀組織分析及力學(xué)性能表征；4）得出結(jié)論。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

（1）實(shí)現(xiàn)陶瓷-金屬低溫、快速和高效節(jié)能的連接技術(shù)---電場(chǎng)激活壓力輔助燃燒合成法（FAPAS)。 （2）對(duì)促進(jìn)梯度功能陶瓷材料的制備、應(yīng)用和特殊材料的連接方法具有重要的科學(xué)意義。 （3）本研究在金屬Ti表面熔覆一層TiB2-TiC復(fù)合陶瓷，可充分改善金屬Ti的耐磨、耐熱、耐腐蝕性能，達(dá)到保護(hù)金屬基體的目的。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

采用一定梯度復(fù)合技術(shù)制備的鈦-鈦鋁-陶瓷，使材料既具有金屬的優(yōu)良性能，又具有陶瓷的良好的耐熱、隔熱、高強(qiáng)及高溫抗氧化性，同時(shí)由于中間成分的連續(xù)變化，消除了材料中的宏觀界面，整體材料表現(xiàn)出良好的熱應(yīng)力緩和特性，使之能在超高溫、大溫差、高速熱流沖擊等苛刻環(huán)境條件下使用，可望用做新一代航天飛機(jī)的機(jī)身、燃燒室內(nèi)壁等以及渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、高效燃?xì)廨啓C(jī)等提供超高溫耐熱材料。

學(xué)術(shù)論文摘要

采用電場(chǎng)激活壓力輔助合成技術(shù)（FAPAS）并結(jié)合原位反應(yīng)的方法制備TiB2-TiC- Ni/TiAl/Ti功能梯度材料,研究了TiB2-TiC-Ni/TiAl/Ti功能梯度材料的界面微結(jié)構(gòu)特征及其結(jié)合強(qiáng)度。利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜分析儀分析了梯度材料界面的微觀組織和元素分布，并采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)和顯微硬度儀分析試樣的抗剪切強(qiáng)度和顯微硬度。研究表明制備的TiB2-TiC-Ni/TiAl/Ti功能梯度材料組織致密，TiB2-TiC復(fù)合陶瓷晶粒細(xì)小且均勻分布；各層界面區(qū)形成了良好的擴(kuò)散冶金結(jié)合，連接區(qū)剪切強(qiáng)度達(dá)85.878MPa。顯微硬度由鈦板到陶瓷層呈梯度變化，表層最大顯微硬度達(dá)2760HV。

獲獎(jiǎng)情況

2010年10月,作品《梯度陶瓷與金屬的燃燒反應(yīng)擴(kuò)散連接》參加了首屆“全國(guó)大學(xué)生焊接創(chuàng)新大賽”，榮獲三等獎(jiǎng)

鑒定結(jié)果

本作品具有獨(dú)創(chuàng)性，推薦申報(bào)

參考文獻(xiàn)

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同類(lèi)課題研究水平概述

近幾年對(duì)燃燒合成的研究集中于新材料合成、燃燒合成機(jī)理研究、燃燒動(dòng)力學(xué)計(jì)算以及對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)用于特殊領(lǐng)域材料的合成，如納米材料、生物材料、燃料電池和超導(dǎo)材料等。 目前，國(guó)內(nèi)高校與科研院所對(duì)采用電場(chǎng)激活和壓力輔助燃燒合成技術(shù)合成高熔點(diǎn)、多組分復(fù)合材料和功能梯度材料研究比較少，總的來(lái)說(shuō)還處于初級(jí)階段，合成的復(fù)合材料和功能梯度材料還有很多不完善的地方，比如:制備工藝不成熟、合成材料致密性差、抗熱應(yīng)力差等問(wèn)題。 目前存在的主要問(wèn)題是:(l)對(duì)于異種材料間在電場(chǎng)下的擴(kuò)散連接過(guò)程的認(rèn)識(shí)及界面結(jié)合機(jī)理的研究還處于發(fā)展和探討階段，認(rèn)識(shí)尚不一致;(2)工藝過(guò)程也不太成熟，如對(duì)工藝參數(shù)、對(duì)材料性能要求等仍處于探索階段。
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