碳氮化鈦及其複合材料的反應合成

書名：碳氮化鈦及其複合材料的反應合成

ISBN:ISBN 7-5624-3366-6

作者：潘復生，湯愛濤，李奎

印刷日期:2005-3-1

出版日期:2005-3-1

精裝平裝_開本_頁數：平裝16開,135頁

前 言

金屬-陶瓷複合材料是最有發展前景的複合材料之一，也是現代新材料的重要組成部分，已引起了世界上許多發達國家的高度重視。金屬-陶瓷複合材料因具有高硬度、高強度、高耐磨性等優異性能而具有廣泛的用途，目前已開始工業化應用。這類材料中的典型代表之一是金屬-碳氮化鈦複合材料，但這種複合材料發展應用的最大問題是材料的製備成本太高，從而嚴重影響著它在更大範圍內的推廣應用，這種複合材料高製備成本的主要原因是材料製備中使用了成本極高的碳氮化鈦(Ti(C，N))粉末。因此，發展金屬-陶瓷複合材料的低成本製備新技術是大規模推廣和應用這種複合材料的關鍵。

在國家"863"高科技項目、國家自然科學基金項目和全國高校博士點基金項目的支持下，重慶大學金屬-陶瓷複合材料課題組經過十多年的艱苦工作，成功地開發了一種低成本的金屬-碳氮化鈦複合材料製備新技術。該技術有以下幾個顯著特點：

①該技術所用原材料--鈦鐵礦(FeTiO3)是我國的富有資源之一，成本極低；②直接還原鈦鐵礦製備碳氮化鈦粉和金屬-碳氮化鈦複合材料，為開發利用細粒級鈦鐵礦和製備高性能低成本複合材料開闢了一條新途徑；③工藝本身具有選擇性，既可以生產含Fe的Ti(C，N)複合粉，也可以生產較純的Ti(C，N)粉末，還可以直接合成金屬-Ti(C，N)複合材料；④當反應產物是含Fe的Ti(C，N)複合粉時，既可以充分利用FeTiO3礦中的鐵元素，又可以較好地解決Ti(C，N)和基體的潤濕性問題，有利於Ti(C，N)在基體中的均勻分佈；⑤中間產物的消除可採用C、Al、N2等多成分的複合還原技術。

本書對碳氮化鈦粉末低成本製備技術和金屬-Ti(C，N)複合材料直接合成技術進行了系統介紹。主要內容包含：金屬-陶瓷複合材料反應合成技術概述，用鈦鐵礦直接還原制

備碳氮化鈦粉和金屬-碳氮化鈦複合材料的熱力學計算，鈦鐵礦中雜質還原的熱力學計算，反應溫度和反應氣氛影響鈦鐵礦還原的熱力學計算，鐵加入量、碳加入量和球磨過程對Fe/Ti(C，N)複合材料直接合成的影響，Ti(C，N)粉末的分析和評估，Fe/Ti(C，N)複合材料顯微組織的評價和控制等。全書由潘復生、湯愛濤和李奎撰寫，參加研究工作的還有汪凌雲、王雨、王健、龐華、甄永達、張靜、楊佳、劉海定、呂志強等。丁培道教授和彭曉東教授對該技術成果的發展提出了很好的建議和意見。

該書可作為高等學校和研究院所材料專業、冶金專業的教師和研究生的參考書，對從事複合材料研究開發和鈦鐵礦資源綜合利用的科技人員有參考價值。

由於編者水平所限，書中難免存在不妥之處，請讀者批評指正。

潘復生

2004年12月

第1章 緒論 1

1．1 引言 1

1．2 氣-液反應合成技術 2

1．2．1 氣-液合成技術(VLS技術) 2

1．2．2 熔體直接氧化技術(DIMOX技術) 2

1．3 液-固反應合成技術 3

1．3．1 放熱彌散複合技術(XD技術) 3

1．3．2 接觸反應合成技術(CR技術) 4

1．3．3 SHS-鑄造複合技術(SHS-C技術) 5

1．3．4 熔體浸漬技術(MI技術) 6

1．3．5 液相接觸反應塗層製備技術(CTCR技術) 6

1．4 固-固反應合成技術 8

1．4．1 自蔓延高溫合成技術(SHS技術) 8

1．4．2 直接還原技術(DR技術) 10

1．4．3 機械合金化技術(MA技術) 10

1．5 其他反應合成技術 11

1．5．1 反應噴射沉積複合技術(RSD技術) 11

1．5．2 反應結合技術(RB技術) 13

1．5．3 化學氣相沉積和浸漬複合技術(CVD和CVI技術) 14

1．6 Fe基TiC/TiN/Ti(C，N)複合材料製備技術進展 14

1．6．1 粉末冶金法 14

1．6．2 反應熔鑄法 15

1．6．3 燃燒合成法 16

1．6．4 機械合金化法 16

1．6．5 其他方法 17

1．7 Ti(C，N)的應用 17

1．8 碳氮化鈦及其複合材料製備中的問題 19

第2章 鐵基複合材料中Ti(C，N)化合物和中間產物形成的熱力學計算 21

2．1 引言 21

2．2 FeTiO3還原形成中間反應產物的熱力學分析 21

2．3 中間產物還原過程的熱力學計算 23

2．4 Ti(C，N)和反應氣氛間的熱力學計算 25

2．5 鐵基材料中Ti(C，N)和基體間的熱力學計算 27

2．5．1 MX化合物摩爾自由能的熱力學分析 27

2．5．2 MX化合物平衡狀態的熱力學分析 28

2．5．3 三元化合物化學組成和母相平衡濃度和熱力學計算 29

第3章 還原劑種類影響鈦鐵礦中雜質還原過程的熱力學計算 31

3．1 碳直接還原雜質組分的熱力學 31

3．2 CO間接還原雜質組分的熱力學 33

3．3 C和N2還原雜質組分的熱力學 34

3．4 Al還原雜質組分的熱力學 36

3．5 Si還原雜質組分的熱力學 37

3．6 Mg還原雜質組分的熱力學 38

3．7 Ca還原雜質組分的熱力學 39

第4章 反應溫度和反應氣氛影響FeTiO3-C體系還原過程的研究 41

4．1 引言 41

4．2 實驗材料和方法 41

4．2．1 實驗材料 41

4．2．2 實驗路線和工藝 43

4．2．3 實驗分析方法 45

4．3 FeTiO3-4C和FeTiO3鈦鐵礦TG-DSC綜合熱分析 46

4．4 氮氣氣氛下反應溫度對反應產物的影響 48

4．5 空氣氣氛下反應溫度對反應產物的影響 50

4．6 反應溫度和氣氛影響反應過程的規律與機制分析 52

4．6．1 鈦鐵礦不同溫度下的還原過程 52

4．6．2 還原氣氛對還原過程和反應結果的影響 52

第5章 碳熱還原鈦鐵礦製備Ti(C，N)複合粉的工藝研究 55

5．1 引言 55

5．2 非球磨條件下Ti(C，N)複合粉的反應合成 55

5．3 球磨條件下Ti(C，N)複合粉的反應合成 58

5．3．1 鈦鐵礦：碳=1：3．0(摩爾)球磨粉料的反應合成 58

5．3．2 鈦鐵礦：碳=1：4．0(摩爾)球磨粉料的反應合成 63

5．3．3 鈦鐵礦：碳=1：3．5(摩爾)球磨粉料的反應合成 67

5．3．4 鈦鐵礦：碳=1：3．25(摩爾)球磨粉料的反應合成 67

5．4 Ti(C，N)複合粉反應合成的工藝因素分析 70

5．4．1 原料配比對還原產物組成的影響 70

5．4．2 反應溫度對還原產物的影響 71

5．4．3 保溫時間對還原產物的影響 72

第6章 碳氮化鈦複合粉的分析和評估 73

6．1 引言 73

6．2 實驗材料及分析方法 73

6．3 複合粉體的X射線衍射分析 74

6．4 複合粉體的化學成分分析 75

6．5 鈦鐵礦粉和複合粉體的掃描電鏡分析 76

6．6 Ti(C，N)複合粉體的粒度及比表面積 79

6．7 複合粉體的應用前景展望 81

第7章 鐵含量對鐵基複合材料反應合成的影響 83

7．1 引言 83

7．2 氮氣氣氛下鐵含量對複合材料反應產物的影響 84

7．3 空氣氣氛下鐵含量對複合材料反應產物的影響 86

7．4 含Al反應體系中鐵含量對複合材料反應產物的影響 88

7．5 TG-DSC綜合熱分析 89

7．6 鐵影響鐵基複合材料反應合成的規律分析 94

7．6．1 FeTiO3-4C-2Fe和FeTiO3-4C-3Fe體系基本反應規律 94

7．6．2 鐵影響FeTiO3碳熱還原過程的機制分析 95

第8章 碳含量對鐵基複合材料反應合成的影響 97

8．1 引言 97

8．2 碳加入量對複合材料反應產物的影響 98

8．3 TG-DSC綜合熱分析 98

8．4 碳影響鐵基複合材料反應合成的規律分析 104

第9章 球磨過程和粉末尺寸對鐵基複合材料反應合成的影響 105

9．1 引言 105

9．2 球磨對粉末顆粒尺寸的影響 105

9．3 球磨對TG-DSC綜合熱分析結果的影響 109

9．4 球磨過程對複合材料反應產物的影響 113

9．5 球磨影響原料混合粉末尺寸和反應過程的規律分析 115

9．5．1 球磨對原料混合粉末尺寸的影響 115

9．5．2 球磨對FeTiO3碳熱還原反應過程的影響 115

第10章 鐵基Ti(C，N)複合材料的組織評價和控制 118

10．1 引言 118

10．2 實驗方法 118

10．3 鐵基複合材料中Ti(C，N)化合物的尺寸和分佈 118

10．4 鐵基複合材料中Ti(C，N)化合物的形狀和界面結合的情況 121

10．5 工藝參數對鐵基複合材料中Ti(C，N)化合物形成量的影響 122

10．6 鐵基複合材料中Ti(C，N)化合物的成分 123

10．7 鐵基複合材料的透射電鏡研究 124

10．8 鐵基Ti(C，N)複合材料顯微組織的控制規律 126

10．8．1 鐵基Ti(C，N)複合材料的顯微組織 126

10．8．2 鐵基Ti(C，N)複合材料中相組成物類型的控制 127

10．8．3 鐵基複合材料中Ti(C，N)的成分、尺寸和分佈的控制 127

參考文獻 129