用氮气无胶囊Hiping制备Al2O3/Ti原料粉末直接制备Al2O3/Tin致密复合材料及其评价

高冈克也，Yagura Hajime，加藤正树和广田健

于2011年4月12日至14日在日本神户举行的2011年国际热等静压会议上发表
提交日期：2011年4月12日，接受日期：2012年1月27日/将全文在线发布于//www.wireless-io.com

涵盖的主题

摘要
介绍
实验
制备TiH₂粉
铝的制备₂O_3./无胶囊氮化钛复合材料₂-嬉戏
样品的表征
结果与讨论
精细（Ti，TiN）的合成_0.30)粉末
铝的微观结构₂O_3./锡复合材料
铝的力学性能₂O_3./锡复合材料
结论
确认
参考文献
详细联系方式

摘要

以铝为组分合成致密复合材料欧洲杯足球竞彩₂O_3./ TiN = 100 / 0 ~ 90 / 10 vol%₂O_3./（钛、锡_0.30)混合粉末粉饼使用无胶囊N₂热等静压(HIP)。细钛粉(直径约0.3 μm)，含TiN_0.30通过预粉碎的细TiH的热分解制备相₂粉末在400°C真空1小时，然后在N₂. 那么，艾尔₂O_3./ (Ti、锡_0.30)混合粉末压块均匀分散(Ti,TiN_0.30)，然欧洲杯猜球平台后进行hip烧结。在HIPing的第一阶段[1350°C / 6 MPa / 1 h]， (Ti, TiN_0.30)和N₂，两者都包含在粉末压块中，诱导形成TiN。然后，经过第二阶段的HIPing[1350°C / 196 MPa / 2 h]，烧结的复合材料以Al为主₂O_3.与TiN相相比，当孔隙封闭时，相对密度大于98.5%，但HIPing无胶囊。TiN颗粒(0.30 ~ 0.35 μ欧洲杯猜球平台m)的分散抑制了Al晶粒的生长₂O_3.在烧结过程中。机械性能，如弯曲强度（σ_b)，维氏硬度（H_V)、断裂韧性(K_集成电路)，并以TiN含量为函数评价了其他性能。

介绍

由于金属氮化物具有较高的熔化温度、较高的硬度、较低的密度、较低的电阻率、优异的耐磨性和较高的化学稳定性等综合性能，因此在半导体工业中得到了广泛的应用。在金属氮化物中，氮化钛(TiN)表现出了优异的性能，作为复合材料的组成部分，在切削工具、刀具涂层、微电子器件和太阳能控制薄膜等领域得到了广泛的应用。

有很多关于艾尔的论文₂O_3.-TiN复合材料已经发表，其中欧洲杯足球竞彩许多是处理Al混合物的烧结₂O_3.和锡粉[2-4]。然而，市售锡粉由大颗粒组成，因为锡具有优异的高硬度，无法通过常规研磨工艺粉碎成细粉末。因此，向其他无机材料中添加大的锡组分通常会导致原始机械性能的降低欧洲杯猜球平台，并且无法预期复合材料性能的改善。欧洲杯足球竞彩

虽然细Ti粉末需要将细晶粒的TiN分布到基体中，以制备致密的TiN添加复合材料，以提高力学性能，但金属Ti由于其高延展性，不能通过传统的球磨工艺粉碎成细颗粒。另一方面，金属氧化物的还原性反应，如在[5]氢或nhh下热处理，可以得到细小的Ti粉_3.[6] of fine TiO₂．本研究合成了细金属Ti，脆性TiH₂选择钛粉是因为这种化合物可以机械粉碎。直径为亚微米的钛粉是通过加热预球磨TiH生产的₂先是真空，然后是氮气。艾尔₂O_3.在Al中均匀分布细小的Ti粉末，有效地制备了Ti混合粉末坯体₂O_3.．采用高压氮气HIPing无胶囊法对粉末坯体进行致密化，可自由选择烧结坯体的形状和尺寸，使烧结坯体的相对密度达到92 ~ 93%[1]。这个无胶囊的高压N₂HIPing还可以形成金属氮化物，即使这种金属在正常氮浓度下无法氮化₂在高温下的压力。钛和氮同时直接合成氮化钛₂并描述了烧结材料的烧结和力学性能与其微观结构的关系。欧洲杯足球竞彩

实验

制备TiH₂粉

起始粉末为TiH₂（TSHT，大阪钛技术有限公司，日本兵库，粒度为P₂≤ 45μm，纯度约99.98%）。使用行星球磨机在Ar中以200 rpm的转速使用SUS钢球（直径10 mm）粉碎该脆性粉末24小时。

铝的制备₂O_3./无胶囊氮化钛复合材料₂-嬉戏

细α状态”₂O_3.粉末（TM-DAR，泰美化工有限公司，日本长野，P_年代约0.10μm，~99.99%纯度）和球磨TiH₂粉末(P_年代约0.3μm），并称重至Al中₂O_3./ (Ti、锡_0.30)=100/0~89.10/10.89质量%，假设所有（Ti，TiN_0.30)在高氮下适当加热后会转变为锡₂然后转化成铝的组成₂O_3./ TiN = 100 / 0 ~ 90 / 10 vol%。将复合粉体用研钵和杵在Ar中干混合1 h，然后在真空中400℃热分解1 h，然后在N中200℃热处理1 h₂.热分解后，使用行星球磨机将复合粉末与部分稳定氧化锆（PSZ）球（直径1mm）和甲醇在700 rpm（约11 g离心力）下完全混合10 min然后，将粉末在真空中干燥6 h，然后在氩气中冷却。使用单轴模具/柱塞（直径13 mm）在20 MPa下压实干燥混合粉末，然后在245 MPa下通过冷等静压（CIP）进行致密化₂O_3./（钛、锡_0.30)混合粉末压实件进行hip处理。密集的艾尔₂O_3.采用无胶囊N₂-HIPing(1350°C / 6mpa / 1h +1350°C / 196 Mpa / 2h);这些条件是根据我们的初步实验结果确定的。

样品的表征

通过X射线衍射（XRD）分析（CuKα）确定样品的晶相₁用石墨单色仪（Rint 2200，大阪，日本）进行辐射。通过阿基米德法测量烧结样品的体积密度。通过场发射型扫描电子显微镜（FE-SEM，JSM-7001FD，日本东京JEOL有限公司）对烧结样品的断裂表面进行微观结构观察通过截距法测定了它们的平均晶粒尺寸[8]。晶相鉴定后，测试棒（~3×3.5×11 mm）^3.)，并用金刚石切割刀片从烧结材料上切割下来，然后用金刚石膏(公称粒径1-3 μm)将其四边抛光成镜面。欧洲杯足球竞彩

然后是三点弯曲强度σ_b采用碳化钨夹具对交叉头速度0.5 mm/min和跨度8 mm进行评估。维氏硬度H_V断裂韧度K_集成电路压痕断裂法(IF)采用Niihara的[9]方程。

结果与讨论

精细（Ti，TiN）的合成_0.30)粉末

TiH的XRD图谱₂测量(a)球磨和(b)脱氢后的粉末。球磨后TiH的主要XRD峰_1.924（JCPDS#25-0983）和少量Ni-Cr-Fe（JCPDS#35-0983）相；后一个阶段是来自不锈钢容器和球磨过程中的杂质。在真空中400°C下脱氢1h得到Ti（JCPDS#44-1294）和TiN的混合物_0.30（JCPDS#41-1352）；低温热处理在N₂形成了TiN_0.30以Ti/TiN的摩尔比_0.30~ 4 / 6，由XRD强度估算。图1为TiH的SEM照片₂经过球磨和Ti和TiN的混合物_0.30脱氢后，显示两个样品的粒径约为0.3μm。

图1所示。TiH的SEM照片₂球磨后，样品由Ti和TiN组成_0.30脱氢后。

图2。(a)一种混合粉末(Al₂O_3./ (Ti、锡_0．3))压实和（b）预烧结压实（1350°C/6 MPa/1 h），成分相当于铝₂O_3./锡=90/10体积%。

铝的微观结构₂O_3./锡复合材料

混合粉末(Al₂O_3./钛/锡_0．3)的含量从2.28 Mg/m单调增加到2.34 Mg/m^3.随着Ti/ TiN的增加_0．3)内容。相反，根据理论密度计算的相对密度（3.987、4.503和4.715 Mg/m^3.)的阿尔₂O_3.（JCPDS 46-1212）、Ti（JCPDS 44-1294）和TiN_0．3（JCPDS#41-1352），假设Ti/TiN的比率_0．3为~ 4 / 6，从57.2%略微增加到57.8%(图2(a))。然后在6mpa (1 h)的高氮气压力下，在1350°C下对致密粉末进行加热，然后在196mpa (1 h)下对致密粉末进行加热₂-嘻嘻。

1号之后^圣HIPing(1350°C / 6 M / 1 h)，样品对应于Al的组成₂O_3./ TiN = 100 / 0,95 / 5和90 / 10 vol%从视点进行评估;结果表明，Ti和TiN的晶相变化、微观结构发展和相对密度均与TiN的形成有关_0．3以及预烧结体≥ 92-93%的相对密度，仅包含封闭孔。粉末压实体和预烧结体的XRD图（图3，左）对应于1^圣HIPing分别透露，前一份契约由Al₂O_3.、钛和锡_0．3然而，阿尔₂O_3.TiN和少量Al_0.54“透明国际”_2.46N_0.28O_4.58（JCPDS#42-1279），证明了Ti的形成是通过（Ti/TiN）之间的固体/气体反应进行的_0．3)和6mpa - n₂．预烧结体的相对密度为97.5%(100/0体积%，体密度为3.89 Mg/m)^3.)，95.5%（95/5体积%），3.87 Mg/m^3.)， 94.5% (90/10 vol%， 3.90 Mg/m^3.，图2（b））基于Al的晶相理论密度₂O_3.和锡，而不尊重铝_0.54“透明国际”_2.46N_0.28O_4.58. 这些数据支持以下观点：在HIPing的第一阶段，混合粉末压坯将转变为无开孔的预烧结体，由铝组成₂O_3.基体和TiN析出，然后2^nd在高氮条件下，预烧结体会形成致密的复合材料欧洲杯足球竞彩₂1350°C相同温度下的压力。

测量了HIP烧结体(图3，右)的XRD谱图;在Al范围内，结晶相变化不大₂O_3./TiN=100/0~90/10 vol%，但WC和Al_0.54“透明国际”_2.46N_0.28O_4.58被检测为杂质。认为在用超硬WC-Co杵和研钵粉碎致密烧结材料的过程中，前一种杂质混入样品中，后一种杂质是由Al之间的固相反应来解释的欧洲杯足球竞彩₂O_3.、锡_0．3和表面吸附氧气的活性钛。烧结坯体密度从3.97 Mg/m变化到4.07 Mg/m^3.随着TiN含量的增加。相对密度由99.6降低到98.6%;这些相对密度是用3.987 Mg/m的理论密度计算出来的^3.(艾尔₂O_3.)和5.388毫克/米^3.（TiN:JCPDS#38-1420），在计算中，值为15.66 Mg/m^3.（WC:JCPDS#25-1047）和0.978 Mg/m^3.(艾尔_0.54“透明国际”_2.46N_0.28O_4.58：JCPDS#42-1279）由于数量较少而被忽略。相对密度的降低可以用抑制铝的致密化来解释₂O_3.TiN的存在导致Al晶粒尺寸减小₂O_3.，这将在后面描述。

图4显示了由此制备的铝的断裂表面的SEM照片₂O_3./ TiN = 100 / 0 ~ 90 / 10 vol%复合材料经无胶囊N₂-HIPing(1350°C / 6 MPa / 1 h-1350°C / 196 MPa / 1 h);组织均匀，由小铝组成₂O_3.基体晶粒和细小的TiN颗粒分布在Al上欧洲杯猜球平台₂O_3.观察到晶界。铝的异常晶粒长大₂O_3.没有在所有样品中识别出基体晶粒，这表明均匀的细锡颗粒控制了铝的晶粒生长欧洲杯猜球平台₂O_3.在臀部。从这些SEM照片中可以看出，G_年代阿尔₂O_3.和锡的估算值为：G_年代阿尔₂O_3.从2.0到1.3~1.4μm逐渐减小，而G_年代在0.4μm范围内，TiN的粒径几乎在0.3到0.3之间保持不变，很明显，该粒径与TiN相同_0．3和Ti为原料。欧洲杯足球竞彩烧结坯体密度随TiN含量的增加而单调增加，相对密度由99.6降低到98.6%;尽管使用的是无胶囊HIPing。

铝的力学性能₂O_3./锡复合材料

图5显示了(a)三点弯曲强度σ_b，（b）维氏硬度H_V(c)断裂韧性K_集成电路的阿尔₂O_3./ TiN复合材料。欧洲杯足球竞彩强度σ_b随着TiN含量的增加，铝的成分增加₂O_3./TiN=97/3 vol%，从~525到最高值640 MPa，然后是s_b值降至约510 MPa。这一趋势可以解释为在100/0 ~ 97/3 vol%组成范围内，相对密度几乎与99.3%相当，而G_年代阿尔₂O_3.从2.0 μm逐渐减小到1.3 μm。

(一)

(b)

图3。左；具有代表性的XRD图谱，用于（a）粉末压实体和（b）1^圣臀部。对的;Al的XRD谱图₂O_3./无胶囊后欧洲杯足球竞彩成分为100/0~90/10 vol%的锡材料₂热等静压（1350℃/6MPa/1h）-（1350℃/196MPa/1h）。

因此，强度的增加是由于铝的减少₂O_3.晶粒尺寸。维氏硬度H_V断裂韧度K_集成电路增加到Al₂O_3./ TiN = 95 / 5 vol%组成，然后有轻微下降的趋势;H的最大值_V和K_集成电路分别为19.5 GPa和4.5 MPam^1／2,分别。这些数据被认为与(σ)相比有一点改善_b=457兆帕，小时_V=19.2 GPa，K_集成电路= 4.43 MPa•m^1／2)用于单片铝₂O_3.在本研究中制造。H值_V和K_集成电路为了艾尔₂O_3.分别为18-23 GPa和2.7-4.2 MPa•m^1／2[10] ，而TiN薄膜或陶瓷的硬度分别为16-20 Gpa[10]和3.46 MPa•m^1／2分别[11]。然而，到目前为止，由于TiN的烧结性能较差，并且TiN本身被用作薄膜，有关TiN的力学性能的信息很少。从这些数据可以看出，复合材料的力学行为与它们的相对密度和基体Al的晶粒尺寸密切相关₂O_3.．

图4。铝材料断口的SEM照片₂O_3./TiN复合材料。

图5。铝的力学性能₂O_3./TiN复合材料(a)抗弯强度σ_b，（b）维氏硬度H_V， (c)断裂韧性K_集成电路为TiN含量的函数。

结论

高致密烧结铝₂O_3.用该复合粉末制备了相对密度达98%以上的复合材料₂O_3./（钛、锡_0.30采用无胶囊高压烧结法直接压实₂-热等静压.成分为欧洲杯足球竞彩Al的材料₂O_3./TiN=97/3和95/5体积百分比，由均匀铝组成₂O_3.(2.0 ~ 1.3 μm)基体和细小的TiN颗粒(~0.3 μm)欧洲杯猜球平台均匀分布在Al基体上₂O_3.晶界比整体氧化铝具有更高的机械性能。从目前的研究结果可以看出，通过应用无胶囊N₂该工艺为含金属氮化物工程陶瓷的制备提供了一种低成本、操作简便、操作时间短的方法，即使在常规条件下也难以合成金属氮化物。因此，制备金属氮化物具有广阔的应用前景。

确认

作者希望感谢日本志贺县工业研究中心T.Fujii博士提供的球磨精细TiH₂粉末。

参考文献

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2.陈志强，陈志强，陈志强，等。铝基复合材料的力学性能和氧化性能₂O_3.-AlN-TiN复合材料”陶瓷。Soc。， 75(1992) 2251-2259。
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11Moriyama M.，Aoki H.，Kobayashi Y.，Kamata K.，“含各种添加剂的热压锡陶瓷的机械性能”，J.Ceram。Soc。Jpn.，101[3]（1993）279-284。

详细联系方式

高冈克也，Yagura Hajime，加藤正树和广田健
日本田部恭夫多沙大学科学与工程学院分子化学与生物化学系610-0321欧洲杯线上买球

本论文也以印刷形式发表在《材料和材料加工技术的进步》13[2]（2011）93-98中。欧洲杯足球竞彩