(Ti,M)2AIC-Al2O3復(fù)合材料的合成與性能研究.pdf

1、三元層狀化合物Ti2AlC因其具有多種優(yōu)良的性能而受到了越來(lái)越多的關(guān)注。它結(jié)合了陶瓷與金屬共同的優(yōu)點(diǎn):良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,低的密度,良好的可加工性能,高的抗熱震性能和抗高溫氧化性能等。然而,由于其相對(duì)低的硬度和強(qiáng)度,在很大程度上限制了其廣泛應(yīng)用。這一缺陷主要是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)中Al原子層與Ti6C八面體層所形成的化學(xué)鍵鍵強(qiáng)較弱所致。復(fù)合化和固溶強(qiáng)化是目前改善Ti2AlC材料綜合性能的兩種有效措施。
　　 目前,制備Ti2AlC基固溶

2、體或者復(fù)合材料的方法多為直接混合法,所合成的產(chǎn)物存在晶粒粗大、分散性差等缺點(diǎn)而導(dǎo)致該材料的性能難以進(jìn)一步提高。本研究在Ti-Al-C體系中分別引入金屬氧化物V2O5與Nb2O5,利用Al與V2O5和Nb2O5之間的鋁熱反應(yīng)原位生成第二相Al2O3,同時(shí)還原出的金屬單質(zhì)V或者Nb替代Ti2AlC中的Ti,從而形成(Ti,V)2AlC/Al2O3和(Ti,Nb)2AlC/Al2O3復(fù)合材料。為了對(duì)比試驗(yàn),本文利用Ti粉,Al粉以及碳黑為原料

3、,采用熱壓燒結(jié)工藝制備了單相Ti2AlC材料。借助X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)以及能譜分析(EDS)等系統(tǒng)研究了不同體系合成(Ti,M)2AlC/Al2O3(M=V或者Nb)復(fù)合材料的原位反應(yīng)過(guò)程和顯微結(jié)構(gòu);結(jié)合力學(xué)性能研究了V2O5與Nb2O5的加入量對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與性能的影響,并探討了該復(fù)合材料的斷裂方式與增強(qiáng)、增韌機(jī)理。主要結(jié)論如下:
　　 合成單相Ti2AlC材料的結(jié)果表明:當(dāng)Ti:Al:C的摩爾比為2:1.1:

4、0.7時(shí),在1350℃溫度下合成了純度較高的Ti2AlC化合物,其相對(duì)密度達(dá)到99%,晶粒大小約為1μm。材料的維氏硬度(Hv)、彎曲強(qiáng)度(σb)與斷裂韌性(KIC)分別為6.79Gpa,271Mpa和4.08Mpa·m1/2。
　　 Ti-Al-C-V2O5合成(Ti,V)2AlC/Al2O3復(fù)合材料的研究表明:當(dāng)熱壓溫度為700℃時(shí),Ti和Al首先發(fā)生反應(yīng)形成一系列Ti-Al金屬間化合物(Ti,Al、TiAl、TiAl3);

5、當(dāng)溫度上升到900℃時(shí),發(fā)生了Al與V2O5之間的鋁熱還原反應(yīng),生成了Al2O3相,并有TiC相形成;當(dāng)溫度為1100℃時(shí),形成了(Ti,V)2AlC基體相;當(dāng)溫度上升到1350℃時(shí),雜質(zhì)相消失,形成了高純度的(Ti,V)2AlC/Al2O3復(fù)合材料。由于原位反應(yīng)過(guò)程中的放熱反應(yīng),使該復(fù)合材料的合成溫度較傳統(tǒng)合成方法降低了200-300℃。隨著產(chǎn)物中Al2O3含量的提高,基體晶粒尺寸逐漸變小,分布更加均勻,但當(dāng)Al2O3含量超過(guò)10wt

6、%時(shí),第二相顆粒團(tuán)聚比較嚴(yán)重。該復(fù)合材料的硬度和抗壓強(qiáng)度隨Al2O3含量的提高而增大,但其彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性出現(xiàn)峰值變化,當(dāng)產(chǎn)物中Al2O3含量為10wt%時(shí)達(dá)到最大值434.36Mpa和5.68Mpa·m1/2,與單相Ti2AlC相比分別提高了132%和166%。該材料力學(xué)性能的改善源自于固溶強(qiáng)化和第二相復(fù)合的綜合效果。
　　 利用同樣的制備工藝,以Nb2O5、Ti、Al和碳粉為原料成功制各了(Ti,Nb)2AlC/Al2O3