更高效！俄羅斯高校新方法合成超硬陶瓷材料

近日，俄羅斯托木斯克理工大學(xué)研發(fā)并實驗測試了一種合成超硬材料——二硼化鈦（TiB2）的新方法，與類似方法相比合成率更高，而且無需使用復(fù)雜昂貴的真空爐就能獲得純凈的產(chǎn)品。相關(guān)研究成果發(fā)表在《材料化學(xué)與物理學(xué)》雜志上。

合成TiB2通常是在相對較高的溫度下（1600℃—1700℃）在真空高溫爐中進行，這需要消耗極高能量。另一種方法是電弧法，電弧合成通常在惰性氣體環(huán)境中進行，又會增加產(chǎn)品成本。

研究團隊提出了一種新方案，在露天無真空電弧合成法中用金屬鈦和無定形硼粉末生產(chǎn)TiB2。一氧化碳在反應(yīng)區(qū)會發(fā)生自屏蔽，這降低了合成成本，簡化了電弧反應(yīng)器的設(shè)計并提高了生產(chǎn)率。此外，由于溫度高，產(chǎn)品的純度很高，不需要額外去除雜質(zhì)的操作。

TiB2是什么？

TiB2粉末的顏色為灰色或灰黑色，它在全球已知的熔點*高的十大材料中位列第六。在空氣中，它能承受高達1100℃的氧化環(huán)境而不受損，作為一種新型的陶瓷材料，TiB2具備極為出色的理化特性，不僅熔點極高，而且硬度極大，同時在化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性以及高溫下的機械力學(xué)性能方面都表現(xiàn)得極為優(yōu)異。在眾多化合物之中，相較于金屬碳化物，金屬硼化物展現(xiàn)出了更為*的高溫性能。舉例來說，由TiB2制成的金屬陶瓷制品，相較于碳化鈦（TiC）和碳化鎢（WC）金屬陶瓷制品，更適合應(yīng)用于那些高溫且侵蝕性強的工作環(huán)境中。 

TiB2陶瓷因其具有高熔點、高硬度、高楊氏模量、優(yōu)異的耐磨性、良好的導(dǎo)電性和相對較低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良性能而受到廣泛關(guān)注。

TiB2制備方法

目前制備二硼化鈦原料的方法主要有碳熱還原法、自蔓延高溫合成法、機械化學(xué)反應(yīng)法、氣相沉積法、球磨法等。

1.碳熱還原法

以鈦和硼的氧化物為原料，以碳黑為還原劑，在碳管爐中進行長時間的高溫碳還原處理，所合成的二硼化鈦粉末的純度取決于原材料粉末的純度。這個方法是工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用較多的一項工藝，缺點在于所獲得的二硼化鈦粉末顆粒體積粗大，雜質(zhì)含量較高。

2.自蔓延高溫合成法（SHS）

此法步驟一般是將待反應(yīng)的原料混合物先壓制成塊狀，然后在塊體的一端點火引燃反應(yīng)，反應(yīng)放出的巨大熱量使得鄰近的物料發(fā)生反應(yīng)，*后形成一個以速度v蔓延的燃燒波，*后隨著燃燒波的推進，原料混合物就轉(zhuǎn)化為*終產(chǎn)物。該法產(chǎn)物純度高，所以獲得的粉狀物易于進一步燒結(jié)外部能量消耗少，與其它特殊的技術(shù)手段進行結(jié)合的話可以直接制備出密實的二硼化鈦材料。

3.機械化學(xué)還原法（MR）

此法是將反應(yīng)物粉末置于高能球磨機中，粉末在磨球的擠壓剪切等作用下，反復(fù)發(fā)生由變形到破碎的變化過程。球磨介質(zhì)的劇烈摩擦碰撞，致使機械能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，由此合成所需的反應(yīng)物。與前兩種方法來制備二硼化鈦相比，采用機械化學(xué)反應(yīng)法具有合成溫度低、原料來源廣以及成本低等優(yōu)點。

TiB2的應(yīng)用方向

近年來，TiB2陶瓷基于其高硬度、耐磨損、耐高溫等特點，已成為新一代高性能陶瓷的研究熱點。

1.精密工具材料

高端制造業(yè)的不斷發(fā)展對精密工具材料的綜合性能提出了更高要求，而TiB2陶瓷的優(yōu)異性能極大促進了其在精加工刀具、涂層刀具和鍵合工具等精密工具的開發(fā)與應(yīng)用。 

●在切削黏性較大的合金時，TiB2陶瓷較硬質(zhì)合金有更穩(wěn)定的磨損率和更高的抗氧化性，是精加工刀具的優(yōu)選材料。

●在涂層刀具方面，通過磁控濺射等方式，TiB2陶瓷可制成工具表面涂層，提高了工具表面硬度與耐磨性。

●TiB2陶瓷具有更適合的綜合性能，其高硬度和超聲傳遞效率有利于提高鍵合過程中的能量傳遞效率與鍵合可靠性，是集成電路鍵合工具的優(yōu)選材料之一。

2.防彈裝甲材料

TiB2陶瓷具有強度高、硬度大、耐磨性高、抗暴性高和崩落量小的特點，可用于單兵防彈衣陶瓷插板、武裝直升機裝甲腹板、重型坦克防彈模塊裝甲等產(chǎn)品應(yīng)用，比鋼制裝甲質(zhì)量更輕，可大幅提高作戰(zhàn)便捷性。

3.電解陰極材料

在電解鋁工業(yè)中，TiB2陶瓷具有良好的導(dǎo)電性和對鋁液的潤濕性，抗腐蝕性好，可被長期應(yīng)用于電解鋁陰極材料。在高速工業(yè)化鍍鋁工業(yè)中，TiB2陶瓷也被應(yīng)用于制作鋁液蒸發(fā)舟，在耐高溫、抗腐蝕的同時，作為電熱體直接控制蒸鍍過程。TiB2陶瓷蒸發(fā)舟可用于塑料薄膜連續(xù)蒸鍍金屬、金屬冶煉坩堝和鋁電解池等。