TiB2-TiC复相陶瓷的硼/碳热还原法合成及性能研究

摘要：TiB2-TiC复相陶瓷因其高熔点、高硬度、耐磨损、耐腐蚀和优良的电学性能，在机械、电子和航空航天等领域展现出巨大的应用潜力。然而，传统的TiB2-TiC复相粉体制备方法存在工艺复杂或原料成本高昂等问题，限制了其工业化生产。本研究提出一种新颖的硼/碳热还原法，以低成本的TiO2、B4C和炭黑为原料，通过一步反应成功合成了TiB2-TiC复相粉体。该方法工艺简单，成本低廉，为大规模生产TiB2-TiC复相陶瓷提供了新思路。

本研究首先通过热力学计算，明确了碳/硼热还原反应的热力学过程，确定了最佳的反应路径和条件。在此基础上，进行了系统的配方优化和工艺优化实验，获得了粒径约为200nm、氧含量低于2%且两相含量可控的TiB2-TiC复相粉体。

随后，采用放电等离子烧结（SPS）技术制备了TiB2-TiC二元复相陶瓷和TiB2-TiC-SiC三元复相陶瓷。研究表明，烧结温度对陶瓷的致密化和力学性能起着至关重要的作用。在最佳烧结温度下，TiB2-TiC二元复相陶瓷的相对密度高达99.78%，维氏硬度为24.07±0.53 GPa，断裂韧性为4.14±0.3 MPa·m1/2。通过调节原料中炭黑的比例，可以有效控制TiB2-TiC复相陶瓷的两相含量，从而优化材料的力学性能。

此外，添加适量的SiC可以进一步改善TiB2-TiC复相陶瓷的显微结构和性能。TiB2-TiC-SiC三元复相陶瓷的维氏硬度可达22.20±0.43 GPa，断裂韧性提高至5.71±0.34 MPa·m1/2。更重要的是，SiC的加入显著提高了TiB2-TiC复相陶瓷的高温抗氧化性能，使其抗氧化温度由1200℃提高到1400℃。

综上所述，本研究开发的硼/碳热还原法为TiB2-TiC复相陶瓷的制备提供了一种简单、高效、低成本的新途径。制备的TiB2-TiC复相陶瓷具有优异的力学性能和抗氧化性能，在高温结构材料领域具有广阔的应用前景。

关键词：硼/碳热还原法，TiB2-TiC，TiB2-TiC-SiC，SPS烧结，力学性能，抗氧化性能