發(fā)布時間：2020-10-31 03:41

　　 立方氮化硼(cBN)是一種在機(jī)械、熱學(xué)、光學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域具備優(yōu)良性能的多功能新型材料,其硬度與導(dǎo)熱率接近于金剛石,具有很高的抗氧化能力、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和反應(yīng)惰性,在加工黑色金屬材料時具有特殊的優(yōu)越性。因此,cBN單晶刀具不僅可以加工各種淬硬鋼、硬質(zhì)合金等高硬及耐磨材料,也可以用于鈦合金、純鎳、純鎢及其他材料的加工。與此同時,隨著cBN單晶磨具在汽車、航空航天、船舶、鋼鐵、機(jī)床、模具以及各種機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用,cBN單晶正成為大部分磨削加工的首選磨料。前期表征發(fā)現(xiàn),在快冷合成塊后的cBN單晶表面總是覆蓋著一層類似于熔融狀物質(zhì),認(rèn)為這層物質(zhì)是觸媒和六方氮化硼(hBN)在高溫高壓下形成的觸媒層,由于其與cBN單晶直接接觸,觸媒層的精細(xì)結(jié)構(gòu)必然能夠反映出cBN轉(zhuǎn)變及生長環(huán)境等有關(guān)信息,通過對其進(jìn)行表征研究必然能夠?yàn)樘剿鱟BN單晶轉(zhuǎn)變機(jī)理提供重要的參考依據(jù)。本文利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)和高分辨透射電鏡(HRTEM)對cBN單晶觸媒層的特征形貌和物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分層表征,分析了觸媒層的變化規(guī)律來研究cBN單晶的轉(zhuǎn)變和生長過程；同時利用俄歇電子能譜(AES)和X射線光電子能譜(XPS)對cBN單晶觸媒層的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,重點(diǎn)分析了B、N和Sp2、Sp3雜化態(tài)的分布規(guī)律；此外,利用電子能量損失譜(EELS)對觸媒層進(jìn)行了進(jìn)一步的分層表征,研究了B、N原子電子結(jié)構(gòu)的變化及sp2、sp3雜化態(tài)物相的分布,計(jì)算了不同層中B元素的相對含量,以期能夠?yàn)閏BN單晶轉(zhuǎn)變機(jī)理提供證據(jù)。利用XRD和HRTEM對cBN單晶觸媒層進(jìn)行表征后發(fā)現(xiàn),各層試樣均存在的主要物相結(jié)構(gòu)為cBN、hBN、Li3BN2,然而原始觸媒Li3N并不存在,cBN含量的分布由最靠近c(diǎn)BN單晶的內(nèi)層向外層依次減少。由此推斷,合成過程中Li3N通過與hBN發(fā)生共熔反應(yīng)轉(zhuǎn)變成Li3BN2。Li3BN2含量最高的是中間層,內(nèi)層含量次之,外層含量最少。結(jié)合各物相的分布規(guī)律認(rèn)為：在高溫高壓條件下,由于Li3BN2的催化作用,觸媒層中熔融的hBN轉(zhuǎn)變?yōu)榻�程有序的cBN生長基元,并在相對含量高的內(nèi)層中逐漸形成晶核并生長成為大顆粒cBN單晶。利用XPS和AES對cBN單晶觸媒層的B、N元素進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,內(nèi)層的譜圖與純cBN很大程度上保持一致,說明其物相組成與純cBN單晶基本相同,而外層物相則與cBN標(biāo)樣存在很大的差異,可以認(rèn)為隨著距離cBN單晶越來越近,sp2雜化態(tài)的含量逐漸減少,sp3雜化態(tài)的含量逐漸增多,即hBN含量逐漸減少,而cBN含量逐漸增多。利用EELS 對觸媒層進(jìn)行了進(jìn)一步的分層表征,并使用雙窗口法對EELS譜圖中各層試樣B-sp3含量進(jìn)行計(jì)算,得到內(nèi)層、中間層以及外層中B-sp3含量分別為79.53%、67.24%、63.47%；通過對各試樣譜圖進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)在外層結(jié)構(gòu)中,B-π*峰具有較高的強(qiáng)度,而在內(nèi)層結(jié)構(gòu)中,B-π*峰強(qiáng)度銳減,說明內(nèi)層中cBN含量最多,而外層中hBN含量最多,即從外層向內(nèi)層方向,BN的電子結(jié)構(gòu)已經(jīng)從sp2雜化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閟p3雜化。結(jié)合本文的表征結(jié)果對Li3BN2的作用進(jìn)行如下推測：在高溫高壓條件下,原始觸媒Li3N首先與原料hBN發(fā)生共熔反應(yīng)生成了Li3BN2,隨后其在與hBN形成的混合熔體中對hBN進(jìn)行了催化,促使電子的轉(zhuǎn)移從而完成了hBN向cBN的轉(zhuǎn)變。隨著合成過程的進(jìn)行,在cBN生長基元相對濃度較高的區(qū)域,其發(fā)生聚集并形成晶核,隨后晶核通過不斷消耗周圍區(qū)域內(nèi)的cBN生長基元的方式不斷生長成cBN單晶。
【學(xué)位單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TQ128
【部分圖文】：

山東建筑大學(xué)碩±學(xué)位論文優(yōu)質(zhì)的大顆粒單晶，得到具有優(yōu)越性能的ＣＢＮ材料，對于我國ＣＢ益［１，２，＾２］。??的電子結(jié)構(gòu)??棚（ｈＢＮ）的結(jié)構(gòu)與石墨相似，同為層狀的六方結(jié)構(gòu)。在理想的ｈＢ接連的正六邊形單元組成了單層的ｈＢＮ，而每個六邊形由交替排層間巧同位置正對的是異種原子（如圖１．１所示）。但實(shí)際生產(chǎn)中缺陷，尤其是在低媼下合成的ｈＢＮ不但層間距存在差異，其層與層的平行堆積。??

通過利用電子探針技術(shù)（ＥＰＭＡ）?和Ｘ射線衍射技術(shù)（ＸＲＤ），８３１〇等人＾２＾對＾＾??Ｃａ３＾＾２為觸媒合成的ｃＢＮ單晶合成塊進(jìn)行表征，將合成塊縱向切開發(fā)現(xiàn)ｈＢＮ和觸媒中間??相等物質(zhì)呈層狀分布，在ｈＢＮ層（圖１．５（ａ）中Ｃ層）和觸媒Ｃａ３Ｂ２Ｎ４?（圖１．５（ａ）中Ａ層）??之間存在這由ｃＢＮ和Ｃａ３Ｂ２Ｎ４等物相組成的混合區(qū)域（圖１．５（ａ）中Ｂ層和Ｂ’層）。ｃＢＮ??單晶（圖１．５（ａ）中Ｂｉ、８２、Ｂ３、Ｂ４層）位于ｈＢＮ層與Ｃ３３Ｂ２Ｎ４層之間，Ｂ’層是ｈＢＮ層??向ｃＢＮ層轉(zhuǎn)變的過渡層，是Ｗ?ｈＢＮ、ｃＢＮ與Ｃａ３Ｂ２Ｎ４Ｈ種物相組成的混烙物。而在Ｂ??層和Ｂ’層都存在Ｃａ３Ｂ２化，且在Ｂ’層內(nèi)越靠近ｈＢＮ層域，Ｃａ３Ｂ２Ｎ４含量越少。Ｃ３３Ｂ２Ｎ４??向ｈＢＮ的區(qū)域中間逐漸延伸，從而促進(jìn)了?ｈＢＮ向ｃＢＮ發(fā)生轉(zhuǎn)變。??－８－??

及合成塊的組裝方式等其他因素都會對ＣＢＮ單晶的形貌、粒度、顏色和質(zhì)量等產(chǎn)生重要??影響，要合成大顆粒優(yōu)質(zhì)ＣＢＮ單晶就需要更加嚴(yán)格的控制這些工藝參數(shù)。采用不同的工??藝參數(shù)合成的各種顏色的ｃＢＮ單晶如圖２．１所示。??畫圓??（ａ）黑色ｃ：ＢＮ單晶?（ｂ）玻拍色ｃＢＮ單晶??齡鴻??似梯色ｃＢＮ單晶??圖２．１各種顏色的ｃＢＮ單晶??按一定質(zhì)量比稱�。瑁拢畏勰┖陀|媒原料，在混料機(jī)中混合６小時使其漏合均勻，混??合過程應(yīng)進(jìn)行真空處理，Ｗ避免觸媒原料與空氣中的水反應(yīng)。原料混合后裝入圓筒形模??－１２－??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2863399