Ti3SiC2與Ti3AlC2材料的制備及其性能研究.pdf

1、Ti3SiC2與Ti3AlC2由于其獨特的性能而引起人們的關(guān)注，它們是一種新型金屬陶瓷材料，集金屬和陶瓷特性于一身。首先，它們具有金屬的一些特性，如室溫下優(yōu)良的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率及高彈性模量;其次，它們還具備陶瓷的一些特性，如高屈服強(qiáng)度和出色的抗氧化能力。至今為止，Ti3SiC2與Ti3AlC2的合成技術(shù)主要有:自蔓延合成技術(shù)、放電等離子合成技術(shù)和熱等靜壓合成技術(shù)等。上述各種方法雖然能夠合成Ti3SiC2與Ti3AlC2材料，但制備過程不易

2、控制，樣品純度低且制備成本較高。因此，本文研究的主要目的是探尋一種制備工藝簡單且成本相對較低的制備Ti3SiC2與Ti3AlC2的新方法。
　　采用反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)和熔滲反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備Ti3SiC2與Ti3AlC2，并對其熔滲反應(yīng)過程、力學(xué)性能、導(dǎo)電性能及摩擦磨損性能進(jìn)行了分析研究。
　　研究了分別以Ti/Si/C、TiC/Si/Ti、Ti/SiC/C和Ti/Al/C、TiC/Al/Ti為原料反應(yīng)燒結(jié)Ti3SiC2與Ti3Al

3、C2的合成工藝，利用XRD衍射、掃描電鏡和能譜儀測試分析了各工藝參數(shù)對制備試樣相組成及顯微結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:燒結(jié)溫度和保溫時間是制備過程中主要影響因素，適當(dāng)增加原料中Si或Al的含量有助于制備高純度的Ti3SiC2與Ti3AlC2材料。Ti3SiC2最佳反應(yīng)燒結(jié)工藝為:以3Ti/1.2Si/2C為原料，Ar氣氛環(huán)境中1300℃下保溫45min，制備試樣中Ti3SiC2百分含量為94.8％，氣孔率為15.2％;Ti3AlC2最佳反應(yīng)燒

4、結(jié)工藝為:以3Ti/1.3Al/2C為原料，Ar氣氛環(huán)境中1250℃下保溫30min，制備試樣中Ti3AlC2百分含量為96.2％，氣孔率為14.3％。由此表明，利用反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)可制備高純度的Ti3SiC2與Ti3AlC2，但制備材料的氣孔率較高。
　　為了降低材料的氣孔率，采用熔滲反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)來制備高純致密的Ti3SiC2與Ti3AlC2。此外，研究了以Ti/Si/C、TiC/Si/Ti和Ti/Al/C、TiC/Al/Ti為原料

5、熔滲反應(yīng)燒結(jié)Ti3SiC2與Ti3AlC2的合成工藝。結(jié)果表明:在最佳熔滲溫度和熔滲時間下可制備高純致密的Ti3SiC2與Ti3AlC2，原料中添加少量的引導(dǎo)Si或Al將有助于Ti3SiC2與Ti3AlC2的熔滲合成。Ti3SiC2最佳熔滲合成工藝為:以3Ti/0.3Si/2C為原料，Ar氣氛環(huán)境中1500℃下熔滲40min，制備試樣中Ti3SiC2百分含量為95.4％，氣孔率為6.5％;Ti3AlC2最佳熔滲合成工藝為:以3Ti/0.

6、5Al/2C為原料，Ar氣氛環(huán)境中1300℃下熔滲30min，制備試樣中Ti3AlC2百分含量為96.1％，氣孔率為5.3％。因此，利用熔滲反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)可制備高純致密的Ti3SiC2與Ti3AlC2材料。
　　通過對Ti-Si-C和Ti-Al-C三元體系熱力學(xué)計算及DTA/DSC分析，確定了Ti3SiC2與Ti3lC2的熔滲反應(yīng)過程。Ti3SiC2熔滲反應(yīng)過程為:隨著熔滲溫度逐步升高，Ti與C反應(yīng)生成TiC，Ti與Si反應(yīng)生成Ti

7、-Si間化合物Ti5Si3，Ti5Si3與液態(tài)Si(L)共融形成Ti-Si(L)，Ti-Si(L)與TiC反應(yīng)生成Ti3SiC2;Ti3AlC2熔滲反應(yīng)過程為:隨著熔滲溫度的升高，Ti與C反應(yīng)生成TiC，Ti與Al反應(yīng)生成Ti-Al間化合物Ti3Al，Ti3Al與液態(tài)Al(L)共融形成Ti-Al(L)，Ti-Al(L)與TiC反應(yīng)生成Ti3AlC2。
　　對熔滲反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)合成Ti3SiC2與Ti3AlC2材料的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能

8、進(jìn)行了測試分析，結(jié)果表明:隨著試樣純度的提高其彎曲強(qiáng)度、布氏硬度和電導(dǎo)率隨之增大，Ti3SiC2與Ti3AlC2最高彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到392.53MPa和325.13MPa，最高硬度分別為175HB和168HB;電導(dǎo)率分別為4.2×106S·m-1和2.7×106S·m-1。
　　Ti3SiC2與Ti3AlC2的摩擦磨損性能測試結(jié)果表明:非載流條件下，Ti3SiC2與Ti3AlC2主要磨損形式以輕微粘著磨損和磨粒磨損為主，摩擦系數(shù)最