近日，俄羅斯托木斯克理工大學(xué)研發(fā)并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一種合成超硬材料——二硼化鈦（TiB2）的新方法，與類似方法相比合成率更高，而且無(wú)需使用復(fù)雜昂貴的真空爐就能獲得純凈的產(chǎn)品。相關(guān)研究成果發(fā)表在《材料化學(xué)與物理學(xué)》雜志上。

合成TiB2通常是在相對(duì)較高的溫度下（1600℃—1700℃）在真空高溫爐中進(jìn)行，這需要消耗極高能量。另一種方法是電弧法，電弧合成通常在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行，又會(huì)增加產(chǎn)品成本。

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新方案，在露天無(wú)真空電弧合成法中用金屬鈦和無(wú)定形硼粉末生產(chǎn)TiB2。一氧化碳在反應(yīng)區(qū)會(huì)發(fā)生自屏蔽，這降低了合成成本，簡(jiǎn)化了電弧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)并提高了生產(chǎn)率。此外，由于溫度高，產(chǎn)品的純度很高，不需要額外去除雜質(zhì)的操作。

TiB2是什么？

TiB2粉末的顏色為灰色或灰黑色，它在全球已知的熔點(diǎn)*高的十大材料中位列第六。在空氣中，它能承受高達(dá)1100℃的氧化環(huán)境而不受損，作為一種新型的陶瓷材料，TiB2具備極為出色的理化特性，不僅熔點(diǎn)極高，而且硬度極大，同時(shí)在化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性以及高溫下的機(jī)械力學(xué)性能方面都表現(xiàn)得極為優(yōu)異。在眾多化合物之中，相較于金屬碳化物，金屬硼化物展現(xiàn)出了更為*的高溫性能。舉例來(lái)說(shuō)，由TiB2制成的金屬陶瓷制品，相較于碳化鈦（TiC）和碳化鎢（WC）金屬陶瓷制品，更適合應(yīng)用于那些高溫且侵蝕性強(qiáng)的工作環(huán)境中。 

TiB2陶瓷因其具有高熔點(diǎn)、高硬度、高楊氏模量、優(yōu)異的耐磨性、良好的導(dǎo)電性和相對(duì)較低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良性能而受到廣泛關(guān)注。

TiB2制備方法

目前制備二硼化鈦原料的方法主要有碳熱還原法、自蔓延高溫合成法、機(jī)械化學(xué)反應(yīng)法、氣相沉積法、球磨法等。

1.碳熱還原法

以鈦和硼的氧化物為原料，以碳黑為還原劑，在碳管爐中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的高溫碳還原處理，所合成的二硼化鈦粉末的純度取決于原材料粉末的純度。這個(gè)方法是工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用較多的一項(xiàng)工藝，缺點(diǎn)在于所獲得的二硼化鈦粉末顆粒體積粗大，雜質(zhì)含量較高。

2.自蔓延高溫合成法（SHS）

此法步驟一般是將待反應(yīng)的原料混合物先壓制成塊狀，然后在塊體的一端點(diǎn)火引燃反應(yīng)，反應(yīng)放出的巨大熱量使得鄰近的物料發(fā)生反應(yīng)，*后形成一個(gè)以速度v蔓延的燃燒波，*后隨著燃燒波的推進(jìn)，原料混合物就轉(zhuǎn)化為*終產(chǎn)物。該法產(chǎn)物純度高，所以獲得的粉狀物易于進(jìn)一步燒結(jié)外部能量消耗少，與其它特殊的技術(shù)手段進(jìn)行結(jié)合的話可以直接制備出密實(shí)的二硼化鈦材料。

3.機(jī)械化學(xué)還原法（MR）

此法是將反應(yīng)物粉末置于高能球磨機(jī)中，粉末在磨球的擠壓剪切等作用下，反復(fù)發(fā)生由變形到破碎的變化過(guò)程。球磨介質(zhì)的劇烈摩擦碰撞，致使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，由此合成所需的反應(yīng)物。與前兩種方法來(lái)制備二硼化鈦相比，采用機(jī)械化學(xué)反應(yīng)法具有合成溫度低、原料來(lái)源廣以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。

TiB2的應(yīng)用方向

近年來(lái)，TiB2陶瓷基于其高硬度、耐磨損、耐高溫等特點(diǎn)，已成為新一代高性能陶瓷的研究熱點(diǎn)。

1.精密工具材料

高端制造業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)精密工具材料的綜合性能提出了更高要求，而TiB2陶瓷的優(yōu)異性能極大促進(jìn)了其在精加工刀具、涂層刀具和鍵合工具等精密工具的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。 

●在切削黏性較大的合金時(shí)，TiB2陶瓷較硬質(zhì)合金有更穩(wěn)定的磨損率和更高的抗氧化性，是精加工刀具的優(yōu)選材料。

●在涂層刀具方面，通過(guò)磁控濺射等方式，TiB2陶瓷可制成工具表面涂層，提高了工具表面硬度與耐磨性。

●TiB2陶瓷具有更適合的綜合性能，其高硬度和超聲傳遞效率有利于提高鍵合過(guò)程中的能量傳遞效率與鍵合可靠性，是集成電路鍵合工具的優(yōu)選材料之一。

2.防彈裝甲材料

TiB2陶瓷具有強(qiáng)度高、硬度大、耐磨性高、抗暴性高和崩落量小的特點(diǎn)，可用于單兵防彈衣陶瓷插板、武裝直升機(jī)裝甲腹板、重型坦克防彈模塊裝甲等產(chǎn)品應(yīng)用，比鋼制裝甲質(zhì)量更輕，可大幅提高作戰(zhàn)便捷性。

3.電解陰極材料

在電解鋁工業(yè)中，TiB2陶瓷具有良好的導(dǎo)電性和對(duì)鋁液的潤(rùn)濕性，抗腐蝕性好，可被長(zhǎng)期應(yīng)用于電解鋁陰極材料。在高速工業(yè)化鍍鋁工業(yè)中，TiB2陶瓷也被應(yīng)用于制作鋁液蒸發(fā)舟，在耐高溫、抗腐蝕的同時(shí)，作為電熱體直接控制蒸鍍過(guò)程。TiB2陶瓷蒸發(fā)舟可用于塑料薄膜連續(xù)蒸鍍金屬、金屬冶煉坩堝和鋁電解池等。