熔盐电化学法制备碳化铌和碳化铌基复合材料的研究
过渡金属碳化物具有熔点高、硬度高、热力学稳定性好、耐酸碱腐蚀等一系列优点，它不仅保留了金属基体的电磁特性，又克服了金属基体熔点、沸点低的缺点，被广泛应用于各种耐高温、耐摩擦、耐化学腐蚀等领域。然而过渡金属碳化物单独使用时通常具有脆性大、易出现裂纹等不足，并且其作为增强相添加到金属材料中时，金属相和碳化物陶瓷相间润湿性较差。为了克服碳化物在使用中遇到的难题，本论文采用NbC作为陶瓷相，以低熔点金属(Sn)、高熔点金属(Fe)、金属间化合物(Nb5Si3)分别作为金属相与NbC组成金属-碳化铌复合材料。本文采用熔盐电化学的方法，以CaCl2-NaCl混合熔盐作为电解液，将金属氧化物和碳粉球磨混合后压片、烧结作为阴极，石墨棒为阳极，在熔盐中直接电解制备了NbC-Sn、NbC-Fe、NbC-Nb5Si3等多种复合材料，并对其合成机理和反应历程进行了深入研究，考察了不同工艺参数对产物的影响。主要研究结果如下: (1)以Nb2O5和碳粉为原料，在900℃混合熔盐中，控制工作电压为3.0V，电解11h制备出粒径约100nm的NbC颗粒，测得样品的堆积密度为6.07g/cm3。 (2)为了避免在NbC制备过程中颗粒间的团聚，实验中引入一种能和酸反应，并且不与NbC反应的金属Sn，成功制备出颗粒分散、尺寸均一的NbC纳米颗粒。由于Sn的熔点只有232℃，所以在电解过程中Sn处于液态，在Nb2O5粉末和碳粉间具有流动性。控制3.0V电压，熔盐中电解12h，可以得到NbC-Sn复合材料，并用质量分数为18％盐酸多次洗涤，脱除掉Sn，可以得到颗粒分散、尺寸均一的NbC纳米颗粒。 (3)以Fe2O3、Nb2O5和碳粉为原料，在900℃温度下，电解10h，可以得到核-壳结构的NbC-Fe复合材料。该复合材料以NbC颗粒作为核芯，Fe作为金属外壳组成，每个复合颗粒直径约100nm。将该复合材料添加到20号钢中，重新熔炼。对重熔后的钢进行SEM、金相和硬度分析发现，相比于NbC颗粒，核-壳结构的NbC-Fe复合材料在钢中的润湿性和分散性都显著提高。实验结果表明，核-壳结构的NbC-Fe颗粒加入到钢中可以起到细化晶粒的作用，添加NbC-Fe颗粒的钢相比没有添加NbC-Fe颗粒的钢晶粒缩小了一半，而且NbC-Fe颗粒的添加有效提高钢的硬度。 (4)利用熔盐电化学的方法制备NbC-Nb5Si3复合材料。实验结果表明，在900℃熔盐温度下，Nb/Si摩尔比大于1.67时，产物中会有α-Nb5Si3和γ-Nb5Si3两种晶体结构的Nb5Si3生成;配料中Nb/Si摩尔比小于1.67时，产物中只有α-Nb5Si3生成。多核-壳结构的NbC-Nb5Si3复合颗粒是由四至五个NbC颗粒作为核芯，Nb5Si3作为金属壳组成。原位生成方式得到的核-壳结构复合材料结构更加稳定，并且避免了金属相和陶瓷相复合过程中界面污染问题。
复合材料;碳化铌;熔盐电化学法;润湿性;分散性
东北大学
博士
冶金物理化学
许茜
2018
中文
TB33
2021-09-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）