能量学分析和总结.docx

研究背景 TiB2 材料氧化的热力学分析 由于 TiB2 材料优异的物理和机械性能,使其具有广阔的应用前景,可作为切割刀具、航空材料、耐磨材料、铝电解槽阴极等。但是,像其它共价键结合的材料一样,由于烧结传质速率较慢,因此致密的硼化钛产品很难获得。改善TiB2 材料的烧结性,除了选用合适的烧结助剂及烧结工艺外,烧结环境的稳定性也是决定烧结制品性能的一个关键因素。另外,TiB2 材料往往在高温下应用,因此,TiB2 材料的高温稳定性,尤其是氧化行为,是TiB2 材料高温性能的一个重要组成部分。因此,有必要对 TiB2 材料的氧化行为进行研究。 许多材料工作者对相关方面的研究表明,TiB2 材料的氧化服从抛物线规律。TiB2 材料在氧化性气氛下氧化生成 TiO2 的氧化反应方程式可写为: TiB2(s)+5/2O2(g)=TiO2(s)+B2O3(l) （1） 在氧化行为上表现为氧化增重。由于 B2O3 液相的生成,从而导致在 TiB2 材料的表面形成了一层氧化保护层,阻止了 TiB2 材料的进一步氧化。但随着温度继续升高,由于 B2O3 液相转变为 B2O3 气相挥发,使新的 TiB2 表面又暴露出来并一直按该反应式进行氧化,从而导致TiB2 材料的高温抗氧化性能降低。但是,对于 TiB2 材料的氧化条件及 TiB2 材料的氧化反应方式,还没有进一步的分析与讨论。因此,本课题对 TiB2 材料的氧化进行了热力学分析,讨论TiB2 材料发生氧化反应的条件、在氧化过程中的氧化反应方式及在不同条件下的氧化产物等。 分析解决问题方法 作者主要从两方面入手来分析问题，首先用热力学分析TiB2 发生氧化的可能性，并分析了温度对 TiB2 材料氧化反应的影响。在理论上可行之后，作者又通过实验对TiB2 的氧化进行研究，主要包括氧化产物 XRD 分析及氧化层产物的显微结构分析。进而得出TiB2 材料发生氧化反应的条件、在氧化过程中的氧化反应方式及在不同条件下的氧化产物等结论。从而理论和实际结合具有很强的说服力。具体分析如下： TiB2 材料氧化的热力学分析 TiB2 氧化的可能性分析 对于 TiB2 氧化的可能性,可以通过下列反应式进行热力学计算来分析。 TiB2(s)+5/2O2(g)=TiO2(s)+B2O3(l)通过查取热力学数据表,采用物质吉布斯自由能函数法,可以计算该反应式的反应自由焓为: TiB2(s)+5/2O2(g)=TiO2(s)+B2O3(l) 根据上述关系式,可求出在不同温度下的!G 值,结果如下表 1 所示: 表 1 反应式(1)在不同温度下!G 由以上热力学计算结果可知,TiB2 材料从室温到高温均可以与氧发生反应生成TiO2,因此,TiB2 材料存在氧化问题。但由于反应动力学的原因,在较低的温度下,该氧化反应不发生或反应速度非常慢,TiB2 材料不会被氧化。在高温下由于热激活,该氧化反应以一定的速度进行,使 TiB2 材料发生氧化。 温度对 TiB2 材料氧化反应的影响 反应。因此作者绘制了各反应的吉布斯自由能与温度 T 的函数关系。得出:当温度 反应。因此作者绘制了各反应的吉布斯自由能 与温度 T 的函数关系。得出:当温度 T1450K 时,氧化反应按反应式(1)的方式进行,氧化产物为固相 TiO2 和液相 B2O3,在氧化行为上表现为氧化增重,生成的液相B2O3 覆盖在氧化层的表面,可以起到隔绝氧气的作用,在此条件下,TiB2 材料的抗氧化性较好;当温度 T1450K 时,氧化反应将按反应式TiB2(s)+5/2O2(g)=TiO2(s)+B2O3(g) （2）的方式进行,此时,由于 B2O3 蒸气挥发,在材料中留下孔隙,增加了 TiB2 材料与氧气的接触面积,TiB2 材料的氧化进程加速,此时,TiB2 材料的抗氧化性逐下降。 TiB2 材料氧化的实验研究 实验过程 将TiB2 单相陶瓷试样在金刚石切割机上切成10mm×10mm×5mm 的试片,经研磨抛光并经超声波洗涤干净后,于 110?温度下真空干燥 24h,测其总表面积和总重量。将坩埚型电阻炉升温至指定试验温度,升温速度为 500?/h,采用悬挂法,将一端装有 TiB2 单相陶瓷试样的吊篮在指定试验温度下置于实验炉内进行氧化试验,并通过与悬丝另一端连接的分析天平全程记 录 TiB2 单相陶瓷试样的氧化增重情况,待天平指示氧化增重停止后,随即取出试样,迅速冷却至室温,采用扫描电子显微镜对氧化试样进行SEM 分析。实验温度范围 800~1400?。 氧化产物 XRD 分析 分析表明当氧化反应温度为1000?时,氧化产物为TiO2(金红石)和 B2O3 相,这表明在此条件下,TiB2 单相陶瓷材料的氧化是按照反应式(1)的方式进行的,当氧化反应温度为 1200