圆锥状TiB2微纳结构的合成机理与分离技术研究

本项目所要研究的是一种圆锥状TiB2微纳结构的合成机制。TiB2是一种同时兼有高熔点、高硬度和低电阻率的功能陶瓷，作为针尖材料在原子力显微镜等领域具有潜在的用途。申请者在前一个基金项目研究的过程中发现了一种直接合成圆锥状TiB2微纳结构的方法。现已制备出尖端直径为数纳米、中部直径约500-700nm、长度约10μm的圆锥状TiB2微纳米单晶结构。进一步研究的内容包括：① 圆锥状TiB2微纳结构的合成工艺与结构表征；② 圆锥状TiB2微纳结构形成的热力学条件、高温下组成原子的气相运输机理以及TiB2晶体的定向生长机理；③圆锥状 TiB2与附属生成物的分离技术；④ 对圆锥状TiB2微纳结构的形貌特征、显微硬度、电导率等性能进行表征，为实际应用奠定基础。迄今为止，尽管有关TiB2基复相陶瓷的报道比较多，有关制备纯TiB2的报道也有一些，但是关于圆锥状TiB2微纳结构单晶的制备方法尚未检索到。

本课题基于自蔓延高温合成技术（SHS）和酸洗提纯技术，以Mg+TiO2+B2O3粉末为原料，获得平均粒度为3.2μm、纯度为99wt%的TiB2粉体。采用燃烧波淬息法研究了TiB2的合成机理。通过在Mg+TiO2+B2O3系中添加Cu2O粉末，制备出具有圆锥状的TiB2微纳米结构，其生长机理属于典型的V-L-S机制。Cu2O的有效添加范围为2%~6%。加入4%的Cu2O可获得大量直径为100nm左右的高长径比TiB2晶须。通过用Al粉部分取代Mg+TiO2+B2O3系中的Mg粉，制备出TiB2纳米线阵列，并研究了Al:Mg比对燃烧产物和TiB2组成相和晶体形态的影响。TiB2通常为棱角分明的不规则块状晶体。当Al:Mg=4:6~8:2时，TiB2晶体虽然仍以块状晶为主，但出现了大量TiB2晶须阵列和棒状晶。TiB2晶胞轴向的线性对称和径向的平面对称结构决定了其在轴向和径向不同的生长趋势。TiB2晶核形成后，当Ti原子的浓度与B原子的浓度交替起伏周期较短时，轴向的生长趋势高于径向，更容易生长为棒状晶体；当两种原子的浓度起伏周期较长时，轴向的生长趋势低于径向，更容易生长为片状晶体；当Ti原子与B原子的浓度起伏周期长短适当时，在周围介质条件和热力学条件相同的情况下，更容易生长成块状或球状晶体；只有在非常理想的条件下，才有可能生长为典型的正六棱柱晶体。TiB2粉体的制备为制备TiB2基复相陶瓷提供了必要的经验，分别以Ti+Si+C+B4C和Ti+Al+C+B4C粉体为原料合成了TiB2+Ti3SiC2+TiC和TiB2+Ti2AlC+TiC复相可加工陶瓷。其相对密度分别为70.7%~73.8%和93.2%~99.6%，显微硬度平均值分别为10.78~13.72GPa和10.68~12.96GPa，样品的断裂韧性分别为3.53MPa•m1/2和4.62MPa•m1/2，两种复相陶瓷均具有良好的导电性能和线切割加工性能。