本文采用热力学分析、XRD、SEM、以及TG-DTA等分析手段对TiO2碳热还原氮化合成TiN进行了系统的研究，阐明了TiO2碳热还原氮化反应机理；提出了连续式全等温热重研究方法，并用该方法研究了TiO2碳热还原氮化过程动力学；详细研究了工艺因素对TiO2碳热还原氮化过程的影响；小批量制备了TiN粉末，对其性能进行了表征，并以该粉末为原料制备了TiN-Al2O3复合材料。 热力学分析表明：TiO2碳热还原法合成TiN、TiC粉末时，中间氧化物的稳定存在区域及反应开始温度与炉内温度、炉内的CO分压和N2分压相关。随着炉内CO分压的降低和N2分压的升高，反应开始温度逐渐降低。因此，在TiN、TiC粉末合成工艺过程中，增大N2压力、惰性气体的流速或不断对炉内抽真空换气，降低炉内的CO分压，可以降低反应开始温度。 通过热力学分析系统地说明了TiO2碳热还原及其氮化过程中的反应顺序。研究结果表明：在含N2气氛中，1400K以下Ti4O7是最稳定的中间氧化物，1400K以上Ti3O5是最稳定的中间氧化物；在不含N2气氛中，1310K以下Ti2O3是最稳定的中间氧化物，1310K以上Ti3O5是最稳定的中间氧化物。实验研究证明了上述论断的正确性。在实验温度范围内发现：TiOxNy形成于低温阶段，其氮含量随着炉内温度的升高而升高；氧含量随着炉内温度的升高而降低，在1300℃反应2h后，TiOxNy的氧含量为0.86wt％。 用连续式全等温热重法，测定了钛白粉-活性炭、钛白粉-石墨试样碳热还原氮化动力学数据，并用改进的单位面积失重法对所得数据进行了分析。结果表明：钛白粉-活性炭试样合成氮化钛粉末的整个过程可以分成三个阶段。在第一阶段，试样单位面积的反应失重随时间的变化符合抛物线规律，即：(△Wt/At)2=kDt，整个反应的速率由碳的固相扩散速率控制，该阶段的反应表观活化能为207.76kJ/mol；在第二阶段，试样单位面积的反应失重与时间呈线性关系，即：(△Wt/At)=kreat，整个反应的速率由碳表面的氧化反应速率控制，该阶段的反应表观活化能为204.30kJ/mol；在第三阶段，试样单位面积的反应失重随时间的变化符合抛物线规律，即：(△Wt/At)2=kDt，整个反应的速率由氮氧化物中氧原子或氮原子的固相扩散速率控制，该阶段的反应表观活化能为255.69kJ/mol。在所研究的温度范围内(1050～1300℃),钛白粉-石墨试样单位面积的反应失重随时间的变化符合抛物线规律，即：(△Wt/At)2=kDt，整个反应的速率由扩散速率控制，反应的表观活化能为312.61kJ/mol。 研究了工艺因素对TiO2碳热还原氮化过程的影响，结果表明：还原剂碳粉的粒径和碳源对碳热还原氮化反应有重要影响，但对产物TiN的颗粒形貌没有影响；配碳量和氮气流量对碳热还原氮化反应有影响，但不显著；氧化物粉末粒径、混合方式和成型压力对碳热还原氮化反应几乎没有影响。因此，采用活性高的精细碳粉并尽可能地降低炉内CO分压时，会加速氮化反应的进行。 采用常压烧结法制备了不同TiN含量的TiN-Al2O3复合材料，并对其主要性能进行了测定。研究表明：在1800℃烧结3小时后，40wt％TiN-Al2O3烧结试样的相对密度最高为96.06％，其显微硬度也达到最大值，为22.7GPa。在1750℃烧结3小时后，40wt％TiN-Al2O3烧结试样的抗弯强度和断裂韧性达到最大值，分别为520.2MPa、5.35MPa·m1/2。随着试样中TiN含量的增加，复合材料的力学性能不断提高，电阻率逐渐降低，当TiN加入量为40wt％时电阻率为1.5×10-3Ω·cm。试样的显微结构分析表明：TiN颗粒主要分布在Al2O3晶界处，晶粒细小，粒径大小约为5μm，分布均匀，它们相互交织在一起形成网络，起到了抑制Al2O3晶粒长大和增韧补强作用，提高了材料的力学性能。
- 作 者：
- 于仁红
- 学科专业：
- 材料学
- 授予学位：
- 博士
- 学位授予单位：
- 西安建筑科技大学
- 导师姓名：
- 蒋明学
- 学位年度：
- 2005
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
