PTFE引发Ti-B体系低温燃烧合成研究

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TiB2和TiC等含Ti陶瓷具有优良的综合性能,如高熔点、高硬度、良好的化学稳定性以及高导热导电性能,使得其具有广阔的应用前景,例如刀具、耐磨零件、金属熔炼坩埚和电极材料。然而,目前制备TiB2和TiC复合材料的方法合成温度很高,通常大于1000℃,能耗大,且合成时间较长,生产成本较高。近年来,为了节省能耗,对上述陶瓷的低温合成得到了越来越广泛的重视。本文在Ti-2B体系中引入PTFE作为反应促进剂,实现了TiB2-TiC复合粉体的低温固相合成,并采用差热分析(DTA)、热重分析(TG)、X射线衍射分析(XRD)、场发射扫描电子显微分析(FESEM)等手段,研究了其反应过程和反应机理。获得的研究结果如下:(1)理论上计算了PTFE-Ti-B体系产物的标准生成焓、反应标准吉布斯自由能变化和绝热燃烧温度。计算结果表明:Ti和PTFE反应焓变高达1030.7kJ/mol,可以引发Ti-B体系的固相反应;在反应产物中,TiB2和TiC是稳定相,TiB为亚稳定相;不同PTFE含量的PTFE-Ti-B体系的绝热燃烧温度Ta d≥3100K,合成反应一旦引燃便能自发进行。(2) TG-DTA实验结果表明,当PTFE含量低于10wt%时,DTA曲线上有两个放热峰,第一个放热峰在500-570℃之间,对应于Ti和PTFE的高放热的氧化还原反应,第二个放热峰在850-1050℃之间,是由Ti和B固相反应放热所致;而当PTFE含量高于10wt%时,DTA曲线上只在500-550℃温度范围内存在一个尖锐的放热峰,说明PTFE和Ti的预反应引发了Ti和B的固相反应。(3)热爆模式TE反应实验结果表明:PTFE的最佳用量为10wt%,可以使Ti-B体系点燃温度降低到550℃。PTFE促发Ti-B体系低温燃烧合成的反应机制为:首先PTFE和Ti反应释放出大量的能量,释放出的能量随之引发Ti和B的固相反应并生成TiB2,TiC是PTFE和Ti反应的产物。(4) Ti粒度对燃烧合成产物的相组成影响很大,过细的Ti粉不能有效引发Ti-B体系的固相反应;B粒度对产物的相组成没有显著影响,但对产物的粒度有明显的影响;当PTFE含量为10wt%,Ti粉粒度为45μm,PTFE粉末粒度为1μm,B粒度为1μm时,能够在550℃制备出平均粒径为0.4μm的TiB2-TiC复合粉体。
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