WB的合成温度对其抛光质量影响的研究

王常春

(吉林化工学院 理学院，吉林 吉林 132022)

过渡金属硼化物由于具有优良的物理化学性质以及较高的硬度而被科研工作者认为是潜在的多功能超硬材料[1-3].人们通过理论计算发现，在过渡金属硼化物中由于过渡金属原子和硼原子之间存在共价特性化学键使得过渡金属硼化物具有较高的硬度[4-6].然而，近年来随着合成技术的发展，一些块体材料的过渡金属硼化物被合成出来，通过硬度测试发现，在现已合成的过渡金属硼化物中没有发现超硬材料.因此，合成块体材料的过渡金属硼化物并且测量其硬度对验证理论计算是否正确以及发现超硬材料具有重要的意义.

然而纯相块体材料的过渡金属硼化物很难被合成.这也就限制了人们对其硬度的研究.常规的合成方法(自蔓延法、化学气相沉积法以及火花等离子体法)很难合成出块体材料的过渡金属硼化物[7-10].加压的方式能够让样品致密化，因此，人们开始利用加压的方式来合成高致密性的块体材料过渡金属硼化物[11-12].然而，过渡金属硼化物的自扩散系数很低，在高压下，样品的流动性差，又容易导致样品混合不均匀，致使合成样品不是纯相的材料，不能获得本征硬度.高温能够让样品流动性加强.因此在合成高致密块体材料的过渡金属硼化物时需要高温高压才能实现.然而，过高温度时，样品有时又会出现不能抛光的情况.因此，合成出块体材料的过渡金属硼化物并探究合成条件对抛光的影响对研究过渡金属硼化物的硬度具有重要的意义.

本文以WB为研究对象.通过改变实验条件合成了WB.研究了合成压力和温度对样品抛光的影响.通过维氏硬度测量发现，WB的硬度只有20 GPa，不是一种超硬材料.

1 实验部分

2 结果与讨论

2.1 WB的高压合成

Two thera/(degree)图1 合成的样品的XRD图

为了测量在2 400 ℃下合成样品的硬度.首先要对样品进行抛光.抛光时发现，样品非常容易碎裂，利用砂纸粗抛时，砂纸能够将样品磨成大块粉末，说明样品致密性不好.这可能是在超高温下迅速降温使得晶界间能量过低而导致的.为了获得块体材料.将在2 400 ℃下合成的纯相样品进行退火处理.将纯相样品在玛瑙研钵中研磨3 h，让样品呈粉末状，再放入高温高压设备进行退火处理，退火温度选择为800 ℃.图2为高温高压下退火后的XRD图，从图可以看出退火后的样品仍然是纯相材料.但是样品依然不能进行抛光，用粗砂纸抛光时，样品在砂纸上呈粉末状.这说明样品可能没有进行二次结晶.通过退火处理不能得到致密的块体材料过渡金属硼化物WB.从图1中可以看到，在低温下能够合成出有少量杂质的WB，在低温下不能合成纯相WB的原因可能是由于高压具有限制样品的流动性的原因.因此，为了增加样品在合成中的流动性，且能够保证合成样品的致密性，尝试将压力稍微降低一些.图3为压强为2.5 GPa时不同温度下合成样品的XRD图，如图可知在整个温度范围内都能合成纯相的WB.通过抛光测试发现，样品都能够抛出非常光亮的平面并且同一压力下不同温度合成的样品，温度对抛光的质量基本没有影响.通过硬度测试可以发现，同一压力不同温度合成样品的硬度值相差不大.

Two thera/(degree)图2 退火后样品的XRD图

Two thera/(degree)图3 压强为2.5 GPa时不同温度的合成样品的XRD图

2.2 WB的形貌分析

样品能否进行抛光与材料的形貌和致密性有很大的关系.因此对合成的材料进行了SEM测试.图4(a)为在压力5.2 GPa温度2 400 ℃条件下合成样品的扫描图.从图中可以看出，样品致密性较差，晶粒大小在50 μm左右，但晶界之间有裂缝.此种样品在抛光时容易导致样品碎裂，与上面实验结果一致.图4(b)为图4(a)中材料经过退火处理后样品的扫描图.从图中可以看出，样品致密性更差，由于研磨，样品晶粒尺寸在20 μm左右，但晶界之间为粉末状，此样品更容易碎裂.从图中可以看出，样品没有进行二次结晶.图4(c)为压力2.5 GPa温度为2 200 ℃条件下合成的样品的扫描图.从图中可以看出，样品致密性非常好几乎没有气孔，并且看不出晶界的连接.此样品能够满足硬度测试时对致密性的要求.

(a)为5.2 GPa，2 400 ℃合成的样品

2.3 合成温度对抛光的影响

图5为利用显微硬度仪(HV-1000ZDT)观测的抛光后样品的平面图.图中压痕是在载荷为100 g压力下所得到的压痕.图5(a)为退火后样品的抛光平面图，从图中可以看到，样品出现了晶体的团聚，但是团聚块较小.在团聚的晶体之间容易出现碎裂.在前面的XRD中可知样品晶体结构没有发生改变，说明样品没有二次结晶，不能形成大块的晶体.图5(b)为压力为2.5 GPa条件下合成的WB的抛光平面图，从图中可以看出能够抛出大块的平面，并且能够满足硬度的测量.

(a)退火处理后的样品抛光平面图

2.4 WB的硬度分析

WB的硬度测试结果如图6所示.从图中可以看出随着载荷的增加样品的硬度收敛于20 GPa，其硬度值远远小于超硬材料，但已经远远超过常用的硬质材料，具有一定的应用价值.

Applied load/N图6 维氏硬度测试

3 结 论

利用高温高压法合成了纯相块体材料的WB，探究了WB的合成条件.压力能够抑制样品的流动性.高温能够促进样品的流动性.在高压下需要较高的温度才能合成WB.但高温时合成的样品很难进行抛光并对样品进行硬度测量.降低压力时能够促进样品的流动性.在较低的温度就能合成WB.并且低压高温合成的样品更容易进行抛光.通过SEM测试发现我们合成的样品具有较高的致密性.利用维氏硬度仪对其进行了硬度测量，其硬度值为20 GPa左右，不是超硬材料.其硬度在过渡金属硼化物中低于一些具有二维或者三维网状共价键组成的过渡金属硼化物.