放电等离子烧结制备金刚石/钛铝碳复合材料

张旺玺,徐世帅,王艳芝,罗 伟,梁宝岩,冯燕翔,韩丹辉

(1.中原工学院材料与化工学院,郑州451191;2.中原工学院建筑工程学院,河南郑州451191; 3.四川化工职业技术学院化学工程系,四川泸州646000)

放电等离子烧结制备金刚石/钛铝碳复合材料

张旺玺1,徐世帅1,王艳芝2,罗 伟3,梁宝岩1,冯燕翔1,韩丹辉2

(1.中原工学院材料与化工学院,郑州451191;2.中原工学院建筑工程学院,河南郑州451191; 3.四川化工职业技术学院化学工程系,四川泸州646000)

以金刚石微粉和钛铝碳微粉为原料,采用放电等离子烧结制备金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料。研究结果表明：在温度1100℃～1200℃、30 MPa和金刚石含量为(30～60)wt.%条件下,制得金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料。当金刚石含量大于40wt%时,制得样品的微观结构中存在大量的空隙;当金刚石含量为(30～40)wt.%时,制得样品微观结构较致密。钛铝碳与金刚石作用分解为碳化钛和少量的碳化铝,金刚石能够被反应产物表面包覆,包覆后镶嵌于陶瓷基体中,复合材料密度达到3.7g/cm3,磨耗比约为1550。

金刚石;钛铝碳;放电等离子烧结;复合材料

金刚石是典型的正四面体晶体结构,具有最高硬度,除此外金刚石还具有疏水性、耐酸碱性、优良的光电性和高导热性等[1],可用作大功率光电子器件和微波器件的散热片、高光学透过性窗口、压头、传感器和医疗仪器等[2,3]。金刚石优异的物理、电化学性能决定了其具有广阔的应用领域,涉及从日用生活用品到医疗军工高端产品。目前,主要利用金刚石的超硬特点,用来制备磨料磨具、钻探工具、刀具、修正工具和拉丝模具等。

金刚石磨料磨具的结合剂主要有树脂、金属和陶瓷[4]。树脂磨具加工性和自锐性较好,但耐热性差、强度低且损耗快。金属结合剂工具导热性好、韧性好,但自锐性差。陶瓷结合剂具有优秀的热化学稳定性、磨削效率高,但可加工性和韧性较差[5]。目前,人们往往采用改性处理来达到改善结合剂性能的目的,金属陶瓷钛铝碳材料[6～8]具有导热性好、易加工和耐热化学稳定性、高强度等特点。本文采用钛铝碳为结合剂,利用放电等离子体烧结技术[9]制备金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料,研究了温度和配比对复合材料微观形貌、物相结构和力学性能的影响。

1 实验

原料采用金刚石(20/140目)和Ti3AlC2微粉。按照质量比金刚石∶Ti3AlC2分别为3∶7(记为D30)、4∶6(记为D40)、5∶5(记为D50)和6∶4(记为D60)进行配料,将混合料在变频行星型球磨机中进行球磨5 h,烘干3 h后得到均匀混合料。然后把一定质量的混合料倒入石墨模具(腔体Φ30mm)中,利用放电等离子烧结炉(SPS-40-10)快速烧结制得金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料(样品厚度3～4mm, Φ30mm),升温速率约200℃/min。利用固体密度仪测量样品的相对密度变化。采用X-射线衍射仪(Rigaku Ultima IV,Cu靶)对样品进行XRD物相分析。利用电子扫描显微镜(JSM-6700F)观察微观形貌。采用磨耗比测量仪测试样品的磨耗比。

图1 金刚石含量为40wt%混合料的热重曲线Fig.1 TG curves of the mixtures with 40wt%diamond

2 结果与讨论

2.1 金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料的热重分析

从图1中TG和DSC的曲线可以发现,混合料在升温过程中重量变化不大,在1200℃和1350℃出现了放热峰。在1200℃时钛铝碳微粉可能发生分解导致放热,经X-射线物相分析可知,在1200℃钛铝碳分解成碳化钛。当温度达到1350℃时,钛铝碳与金刚石发生作用生成稳定化合物,金刚石在这时也会发生石墨化,物相分析表明有碳化铝和石墨生成。

2.2 金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料的密度分析

从图2可知,在1100℃～1200℃温度区间内得到了相对较高密度的金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料,约3.7g/cm3,磨耗比高达1450。提高烧结温度,金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料的密度逐渐下降,这是因为提高温度会导致金刚石表面石墨化程度加剧,因此致密性差。

2.3 金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料XRD分析

从图3可以发现,复合材料的主要物相为石墨、碳化钛和少量的碳化铝。当金刚石含量由30wt%提高到60wt%时,金刚石和石墨的特征衍射峰逐渐增强,在1200℃的条件下金刚石表面开始出现石墨化,石墨衍射峰随金刚石含量增大变强。在烧结温度1100℃时,样品的主要物相为金刚石、碳化钛和少量石墨。在1400℃时,金刚石发生石墨化,石墨化的碳原子与钛铝碳发生反应,形成了碳化钛和碳化铝,制得的复合材料的主要物相为碳化钛、石墨、碳化铝和金刚石。

图3 a：在1200℃、30 MPa条件下,不同金刚石含量制得的金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料的XRD图; b：在金刚石含量为40wt%的条件下,不同烧结温度制得的复合材料的XRD图

2.4 金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料的形貌分析

图4为不同条件下制备的金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料的电镜照片,可以发现金刚石镶嵌于基体中,金刚石被完全包覆,金刚石表面凸凹不平且较粗糙,金刚石剥落后在基体上留下凹凸面,经EDS确认金刚石表面包裹物和基体凹面内部凸起部分物质的主要成分为TiC和Al4C3。钛铝碳发生分解,金刚石表面石墨化,金刚石表面的碳原子与铝发生反应生成碳化铝。研究发现在1200℃、30MPa条件下制得的金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料中,金刚石颗粒能够被完好的包覆,但进一步提高温度会导致金刚石石墨化程度变高,复合材料的孔隙率增大,力学性能变差。

图4 不同烧结温度下制得样品40D的电镜照片a1,a2,a3,a4：1200℃;b1：1300℃;b2：1400℃Fig.4 SEM images of sample 40D prepared under different temperatures.

3 结 论

采用钛铝碳和金刚石微粉为原料,利用放电等离子体烧结技术制备了金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料,在温度为1100℃～1200℃、30MPa条件下,金刚石含量为40wt%,制得的金刚石/钛铝碳陶瓷复合材料具有较好的性能,相对密度约3.7g/cm3,磨耗比约为1550。

复合材料的物相为石墨、金刚石、碳化钛和碳化铝,提高烧结温度金刚石石墨化加剧。

[1] 张壮飞.高温高压合成金刚石用新型铁基触媒材料的研究[D].吉林大学,2013.

[2] 王秦生,李利红,林玉,等.国内外超硬材料制品的新发展[J].中原工学院学报,2013,24(6):36-39.

[3] 王秦生,林玉,李利红,等.国内外超硬材料的新发展[J].中原工学院学报,2013,24(1):38-41.

[4] 王秦生,华勇,宋诚.金刚石树脂磨具的改进[J].金刚石磨料与磨具工程,2004,24(4):25-30.

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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

国家自然基金(项目编号:51602356),河南省高校科技创新团队(项目编号:15IRTSTHN004)和河南省教育厅自然科学计划(项目编号:16A430049)资助

张旺玺,博士,教授。主要研究方向:金刚石和cBN超硬复合材料、纤维高分子材料制备与改性等。E-mail:zwx91zwx@163.com。

张旺玺,徐世帅,王艳芝,等.放电等离子烧结制备金刚石/钛铝碳复合材料[J].超硬材料工程,2017,29(1):11-14.