电场作用下燃烧合成Al<,2>O<,3>-TiC-Al复合材料的基础研究

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SHS 技术具有节省能源、合成速度快和产品纯度高等特点,被广泛地应用于金属-陶瓷复合材料的制备。但是,该技术合成的复合材料一般含有较高的孔隙率(20%-50%),不能作为结构材料直接使用。因此,SHS-致密化一体化一直是人们研究的热点。另外,由于受到SHS 反应的热力学限制,该技术仅适合于高放热反应体系。所以,如何诱发受SHS 反应的热力学限制的反应体系的自蔓延燃烧,以进一步提高该技术合成材料的范围,也是SHS 技术的一个发展方向。本文以TiO2-C-Al 反应体系为研究对象,旨在利用SHS 过程中形成的液态铝对孔隙的充填和焊补作用,进一步提高合成复合材料的致密性。研究结果表明,随着体系中过余Al 量x 值的增加,合成材料的致密性提高。但是,当体系中过余铝量x >10mol 时,该体系的SHS 反应难以发生。为此,本文利用电场的综合作用,成功地诱发了高过余铝量(x=14mol)的TiO2-C-Al 体系的自蔓延燃烧,并直接合成了致密性高达92.5%的Al2O3-TiC-Al 复合材料。此外,本文分析了电场作用下的SHS 反应热力学,建立了相应的数学模型; 研究了电场强度对TiO2-C-Al 反应体系的SHS 过程及合成材料的组织结构的影响,并探讨了Al2O3-TiC-Al 复合材料的结构形成过程。结果表明:电场的焦耳热效应提高了体系的初始反应温度,当外加电场强度E ≥7.5 V/cm 时,电场可突破SHS 反应的热力学限制; 而且,随着电场强度的增加,体系发生SHS 反应所需的点火时间缩短,燃烧温度及燃烧波蔓延速度提高,合成的Al2O3和TiC 晶粒尺寸减小,制备的复合材料致密性提高。因此,电场-SHS 技术为直接制备致密的金属-陶瓷复合材料提供了一条简单的新途径。
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