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非化学计量比TiN_x的制备及相稳定性研究

作　者: 石青娟
导　师: 王明智
学　校: 燕山大学
专　业: 材料学
关键词: TiNx 机械合金化 非化学计量比化合物 第一性原理 热压烧结
分类号: TB383.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 33次
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内容摘要


本文主要目的是研究非化学计量比TiNx(x<1)的结构、性能和制备方法。用第一性原理方法研究了TiNx的结构和性质,并以Ti粉和尿素为原料,采用机械合金化(MA)的方法制备非化学计量比的TiNx粉末,然后对粉末进行热压烧结,研究了烧结体的性能。以NaCl结构的晶胞为原型,构建了TiNx的模型,并对其性质进行计算和预测。通过对Ti和尿素按照不同配比、不同球磨时间制备的TiNx粉末的研究,得出了TiNx粉末的形成机制,同时证明提高Ti的比例可以增大TiNx的形成效率。将球磨不同时间、摩尔比为4:1的Ti和尿素混合粉末进行热压烧结,分析了烧结体的相组成及氮钛比,同时研究了烧结体的密度、硬度、抗折强度及断口形貌,研究了机械合金化和N含量对TiNx粉末烧结体性能的影响。第一性原理的计算结果表明,N含量在一定范围内变化,TiNx仍保持TiN结构。随着N含量的增加,TiNx中Ti-N键密度增加,金属键密度降低,晶格常数、晶胞体积、体积模量和剪切模量等增大。实验结果表明,经过机械合金化处理,Ti与尿素反应形成TiNx。通过烧结体的结构和物相分析发现,随着球磨时间的增加,烧结体中N含量增加,烧结体的晶格常数、密度、硬度和抗折强度逐渐增加,和第一性原理计算的结果相符。和未球磨的纯TiN烧结体相比,球磨50 h性能最优,烧结体晶粒细小、结合良好、没有明显气孔出现,其密度、硬度、抗折强度分别达到5.16 g/cm3、21.9 GPa和307.6 MPa。以上结果表明,机械合金化与非化学计量比降低了TiNx粉末的烧结温度。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-21
  1.1 选题背景  10-11
  1.2 非化学计量比化合物的提出  11-12
  1.3 氮化钛简介  12-16
    1.3.1 氮化钛的结构与性质  12-13
    1.3.2 氮化钛的用途  13-14
    1.3.3 氮化钛的合成方法  14-16
  1.4 机械合金化(MA)简介  16-18
    1.4.1 机械合金化(MA)发展概况  16-17
    1.4.2 机械合金化(MA)过程和反应机理  17-18
  1.5 粉末烧结  18-19
    1.5.1 粉末烧结基本理论  18
    1.5.2 热压烧结  18-19
  1.6 本论文的研究意义及主要研究内容  19-20
  1.7 本章小结  20-21
第2章 非化学计量比TiNx的第一性原理研究  21-39
  2.1 CASTEP 软件主要理论和模拟方法  21-28
    2.1.1 密度泛函理论  22-25
    2.1.2 局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)  25-27
    2.1.3 赝势方法  27-28
  2.2 计算方法  28-31
    2.2.1 结构模型  28-30
    2.2.2 参数选择  30-31
  2.3 计算结果  31-38
    2.3.1 相形成能和空位形成能  31-33
    2.3.2 晶格常数和晶胞体积  33-35
    2.3.3 电子结构与态密度  35-36
    2.3.4 体积模量和剪切模量  36-38
  2.4 本章小结  38-39
第3章 非化学计量比TiNx的机械合金化制备  39-55
  3.1 实验过程  39-40
  3.2 尿素的分解产物  40-42
  3.3 3T-U 粉末连续球磨制备TiNx  42-49
    3.3.1 3T-U 粉末连续球磨不同时间粉体的结构变化  42-44
    3.3.2 3T-U 粉末连续球磨70 h 制备的TiNx 的微观形貌观察  44-45
    3.3.3 3T-U 粉末连续球磨70 h 制备的TiNx 的EELS 分析  45-47
    3.3.4 连续球磨不同时间3T-U 粉末退火后的相成分分析及形貌观察  47-49
  3.4 不同原料配比对反应球磨效率的影响  49-54
    3.4.1 球磨不同时间后2T-U 粉体的结构变化及形貌观察  49-52
    3.4.2 球磨不同时间后4T-U 粉体的结构变化及形貌观察  52-54
  3.5 本章小结  54-55
第4章 非化学计量比TiNx的烧结特性研究  55-74
  4.1 实验方法  55-57
    4.1.1 实验原料及模具  55
    4.1.2 热压烧结设备  55-56
    4.1.3 热压烧结工艺  56-57
    4.1.4 分析测试  57
  4.2 结果与讨论  57-73
    4.2.1 烧结体的物相及结构分析  57-60
    4.2.2 烧结体的荧光分析  60-61
    4.2.3 烧结体性能测试  61-67
    4.2.4 烧结体断口形貌及微观组织观察分析  67-71
    4.2.5 纯TiN 烧结体的组织及性能  71-73
  4.3 本章小结  73-74
结论  74-75
参考文献  75-83
攻读硕士期间承担的科研任务  83-84
致谢  84-85
作者简介  85

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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