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改进的碳热还原法制备TiC晶须及其应用的研究

作　者: 曹瑞香
导　师: 刘翠荣
学　校: 太原科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TiC晶须化学气相沉积法碳热还原法金刚石锯片
分类号: O614.411
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

晶须是直径为1—30微米的单晶细丝,其突出特点是具有超高强度和硬度。其中过渡族金属的碳化物、氮化物不仅强度更高,而且耐高温,化学稳定,因而是理想的先进复合材料的骨架。可是,这类晶须至今未能广泛应用。原因在于于制备高温陶瓷晶须的方法至今仍不过关。目前制备高温陶瓷晶须的方法有两个,一个是化学气相沉积（CVD）法,另一个是热还原法。前者的优点是产物（晶须）的质量好,但产率低,成本高。后者则相反,产率高,质量差。我的研究目标就是要寻找一种新型热还原方法,兼具两种方法的优点,摒弃其缺点,从而实现批量生产高温陶瓷晶须—TiC晶须。经过大量实验,我找到了用现有（传统）的热还原法生长晶须所固有的问题,进而提出了一个新的热还原方法,即所谓“气流热还原法”。其特点是在热还原过程中用适当流量的氩气流均匀地通过物料（TiO₂粉、碳粉、镍粉等）。特别是我们解决了让气流均匀地通过大量物料的工艺问题,找到了合适的工艺参数,制出了优质碳化钛晶须,单炉（小炉子）产量由原来（用传统热还原法时）的数克提高到一百多克,而晶须与颗粒之比达到90%以上。此外,我们还发现了更多的实验证据,证明热还原法生长晶须的机制仍然是VLS机制。在成功地制备了优质TiC晶须的基础上我们进而研制了用晶须增强和增韧的金刚石锯片。我们首先解决了如何在金刚石锯片中均匀添加晶须这一关键工艺。然后通过实验确定合适的压制压力和烧结温度等参数。然后通过大量锯片的现场切割石材试验,找到了最佳的晶须添加量（所切割的石材包括大理石、花岗岩等）。实验表明,含1.5%TiC晶须的金刚石锯片切割石材的效果最好。和不含晶须的锯片相比,含1.5%TiC晶须的金刚石锯片连续切割石材长度增加了一倍,所需的切割时间则缩短了一半,因而总效率提高了四倍。本论文全面总结了以上两方面的研究工作。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章引言  9-27
  1.1 晶须的基本特性  9-13
  1.2 晶须分类  13
    1.2.1 按材料分类  13
    1.2.2 按尺寸分类  13
    1.2.3 按用途分类  13
  1.3 晶须的制备  13-15
    1.3.1 固相生长晶须  13-14
    1.3.2 从液相中生长出晶须  14
    1.3.3 从气相中生长晶须(气相沉积法，Vapor Deposition)  14-15
  1.4 晶须的生长过程和机制  15-19
    1.4.1 晶须的生长过程  15-16
    1.4.2 晶须生长的热力学条件  16-17
    1.4.3 气相沉积条件下晶须的轴向生长机制  17-19
  1.5 晶须的质量指标及其分析检测  19
  1.6 晶须在复合材料中的的作用  19-22
    1.6.1 强化作用  20
    1.6.2 增韧作用  20-22
    1.6.3 赋予复合材料某种特殊的物理性质  22
  1.7 晶须的应用  22-23
    1.7.1 潜在的应用  22-23
    1.7.2 目前的应用  23
  1.8 存在的问题和发展方向  23-24
  1.9 本课题的研究内容和目标  24-27
第二章喷动床化学气相沉积法制备TiC 晶须的研究  27-35
  2.1 引言：什么是喷动床化学气相沉积法？  27-29
  2.2 实验过程  29
  2.3 实验结果  29-34
    2.3.1 晶须产率  29-30
    2.3.2 晶须形貌  30
    2.3.3 生长方向  30
    2.3.4 相及成分分析  30-31
    2.3.5 生长机制  31-33
    2.3.6 反应参数对晶须生长的影响  33-34
  2.4 小结  34-35
第三章改进的碳热还原法制备TiC 晶须的研究  35-49
  3.1 引言  35
  3.2 实验过程  35-39
    3.2.1 用传统的碳热还原法制备TiC 晶须  35-37
    3.2.2 用改进的碳热还原法制备TiC 晶须  37-39
  3.3 试验结果与分析  39-42
    3.3.1 晶须产率  39-40
    3.3.2 晶须形貌  40
    3.3.3 晶须生长方向  40-41
    3.3.4 晶须的相及成分分析  41-42
  3.4 反应参数对晶须生长的影响  42-46
    3.4.1 反应温度  42-43
    3.4.2 升温速率  43-44
    3.4.3 氩气流量对晶须产率的影响  44-45
    3.4.4 反应时间  45
    3.4.5 反应催化剂  45-46
  3.5 改进碳热还原法的反应过程和晶须生长的VLS 生长机制  46-47
    3.5.1 反应过程  46
    3.5.2 VLS 生长机制  46-47
  3.6 小结  47-49
第四章 TiC 晶须增强的金刚石锯片的研究  49-63
  4.1 前言  49-56
    4.1.1 国内外研究动态  50-53
    4.1.2 关于胎体材料对金刚石的粘结性能的研究  53-54
    4.1.3 金刚石与胎体的固体接触反应  54-55
    4.1.4 关于锯片在切割石材过程中的性能的研究  55
    4.1.5 主要研究内容  55-56
  4.2 晶须增强金刚石锯片的实验方法  56-58
    4.2.1 原材料  56-57
    4.2.2 试验用Φ105mm 金刚石锯片  57
    4.2.3 性能测试  57-58
  4.3 晶须在金刚石锯片胎体中的均匀分散工艺和锯片的性能  58-60
    4.3.1 晶须在金刚石胎体中的均匀分散工艺  58-60
  4.4 现场试验  60
    4.4.1 现场试验的目的  60
    4.4.2 现场试验的内容和方法  60
    4.4.3 现场试验结果  60
  4.5 结论  60-63
第五章结论  63-65
参考文献  65-69
致谢  69-70
攻读学位期间发表的学术论文目录  70-71

改进的碳热还原法制备TiC晶须及其应用的研究

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