新型亚稳相过渡金属硼化物的掺杂稳定机理研究及性能优化
结题报告
批准号:
51804082
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
24.0 万元
负责人:
龙莹
依托单位:
学科分类:
E0413.粉末冶金与粉体工程
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
许雨翔、于俊杰、邹灿辉、郑鑫、黄路江
国基评审专家1V1指导 中标率高出同行96.8%
结合最新热点,提供专业选题建议
深度指导申报书撰写,确保创新可行
指导项目中标800+,快速提高中标率
客服二维码
微信扫码咨询
中文摘要
ReB2结构亚稳相过渡金属硼化物理论上具有超硬特性,但实验制备过程中的相变会显著降低其硬度,提高热稳定性是关键。本项目以机械合金化法合成的ReB2结构亚稳相OsB2粉末为代表,提出通过第三元素TM(Ru,Re和W)掺杂对其进行热稳定改性,研究TM掺杂对OsB2晶体结构和热稳定性的影响,探索通过第三元素掺杂获得热力学稳定的ReB2结构Os1-xTMxB2的基本条件,揭示热稳定机理;采用放电等离子烧结工艺(SPS)制备热力学稳定的ReB2结构Os1-xTMxB2块体材料,探讨微观结构对硬度的影响,并研究TM掺杂对材料硬度的影响规律和作用机理,合理选择TM掺杂量,获得高硬度Os1-xTMxB2材料。本项目的研究成果可扩展到其他过渡金属硼化物材料,为过渡金属硼化物的设计和制备奠定实验基础。
英文摘要
Theoretical studies have shown that ReB2 type metastable phase transition metal borides have superhard characteristics. However, the phase transformation at high temperature significantly lowers their mechanical properties. It is therefore important to improve their thermal stability. In the present project, take the ReB2 type metastable phase OsB2 powders synthesized by mechanical alloying method as an example, a new material design method is proposed to modify their thermal stability through doping the third element MT (Ru, Re and W). The effect of TM doping on the crystal structure and thermal stability of OsB2 will be studied, the basic conditions of obtaining stable ReB2 type Os1-xTMxB2 will be analyzed, and the stabilizing mechanism will be revealed. Bulk ReB2 type Os1-xTMxB2 materials with thermal stability will be densified using spark plasma sintering (SPS) technique and the effect of microstruicture on the hardness of the materials will be revealed. The effect and action mechanism of the TM on the hardness of the Os1-xTMxB2 materials will be studied and based on which the optimal TM doping content will be chosen. Finally, Os1-xTMxB2 materials with high hardness will be obtained. The research achievements of the present project will be expanded to other transition metal borides, which can provide experimental basis for the design and preparation of the transition metal borides.
针对具有六方结构的OsB2在600°C以上温度开始发生向正交结构和低硼化合物Os2B3转变,降低其力学性能的问题,提出采用第三元素掺杂对其进行热稳定改性,以期获得能在1600°C以上烧结温度稳定存在的六方结构OsB2。系统的研究了Re,W和Ru三种元素及其含量对OsB2热稳定性的影响,研究结果表明: 由于Re(1.46 Å)和W(1.41 Å)的原子半径大于Os(1.34 Å), 掺杂后部分替代OsB2晶格中的Os原子,延长了c轴,从而提高热稳定性能。掺杂原子的半径越大,固溶度内掺杂量越大,越稳定。而Ru原子(1.32 Å)半径小,不能对OsB2起稳定作用。这一研究结果对亚稳相过渡金属硼化物的第三元素掺杂稳定进行成分设计起指导作用。项目还研究了烧结助剂MgO的添加量(0 wt.%、3 wt.%、6 wt.%和9 wt.%)对Os0.9Re0.1B2成分、微观结构和硬度等的影响。研究结果发现,随着MgO含量的增加,Os0.9Re0.1B2块体的致密度不断增加,当添加9 wt.%MgO时,Os0.9Re0.1B2块体的致密度可以达到99%以上;MgO含量为6 wt.%时,其综合力学性能在四组样品中最佳,其硬度达到35±2 GPa, 断裂韧性在误差范围内与其他三组样品相差不大,摩擦磨损系数最低为0.6左右,相应的磨痕宽度和磨损率分别为278.5μm和2.387×10-4mm-3/N•m。此外,由于WB2和WB4也具有高硬度且原材料价格便宜,在项目执行过程中,同时研究了WB4的热稳定性能及Ta元素对其热稳定性的影响,以及WB2的致密化烧结。MgO对WB2的烧结致密化也起到了积极的作用,且能降低晶粒尺寸,从而提高硬度;当粉末原料摩尔比为W:Ta:B=2/3:1/3:5时,粉末经高能球磨40h和1500℃保温1h的热处理后,WB4相的比例可提升至97%,而未掺杂Ta的样品即W:B=1:5只有WB2相;具有更大原子半径的Ta元素在WB4中的固溶引起的晶格畸变是WB4的稳定性提升的主要原因。项目执行以来,在Journal of American Ceramic Society, Ceramics International等国际刊物上发表SCI论文6篇,授权专利3项,申请专利4项,已毕业硕士研究生3名,目前正指导2名硕士研究生进行该方向学位论文的研究工作。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1016/j.ceramint.2019.04.202
发表时间:2019-08
期刊:Ceramics International
影响因子:5.2
作者:Huang Lujiang;Long Ying;Lin Hua-Tay;Zhang Fenglin
通讯作者:Zhang Fenglin
DOI:10.1016/j.ceramint.2020.03.294
发表时间:2020-08
期刊:Ceramics International
影响因子:5.2
作者:Wu Zong;Long Ying;Lin Hua-Tay;Zhang Fenglin
通讯作者:Zhang Fenglin
Mechanochemical synthesis and annealing of tungsten di- and tetra-boride
二硼化钨和四硼化钨的机械化学合成和退火
DOI:10.1111/jace.16788
发表时间:2020
期刊:Journal of the American Ceramic Society
影响因子:3.9
作者:Long Ying;Wu Zong;Zheng Xin;Lin Hua-Tay;Zhang Fenglin
通讯作者:Zhang Fenglin
Role of MgO on densification and mechanical properties in spark plasma sintered Os0.9Re0.1B2 ceramic
MgO 对放电等离子烧结 Os0.9Re0.1B2 陶瓷致密化和机械性能的作用
DOI:10.1016/j.ceramint.2019.08.287
发表时间:2020-02
期刊:Ceramics International
影响因子:5.2
作者:Long Ying;Huang Lujiang;Che Jintao;Lin Hua-Tay;Zhang Fenglin
通讯作者:Zhang Fenglin
Mechanical alloying assisted spark plasma sintering of Tungsten diboride ceramics
二硼化钨陶瓷的机械合金化辅助放电等离子烧结
DOI:10.1016/j.matchemphys.2019.121848
发表时间:2019-11
期刊:Materials Chemistry and Physics
影响因子:4.6
作者:Che Jintao;Long Ying;Zheng Xin;Lin Hua-Tay;Plucknett Kevin
通讯作者:Plucknett Kevin
稀土元素对含硼高熵合金强度-韧性协同效应的调控机理研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    龙莹
  • 依托单位:
国内基金
海外基金