反應(yīng)燒結(jié)合成Ti-,3-SiC-,2-材料及其力學(xué)性能的研究.pdf

1、近些年來,新型三元層狀化合物Ti3SiC2得到了迅速發(fā)展,基于它的特殊物理化學(xué)性能,而引起了物理和材料學(xué)專家強(qiáng)烈的研究興趣,一方面它表現(xiàn)出金屬的某些性能,如在常溫下具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性,相對(duì)較低的Vickers硬度和較高的彈性模量,還具有延展性；另一方面它又具有陶瓷材料的某些性能,如具有較高的屈服強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性和良好的抗熱沖擊性和高溫抗氧化性。尤其引人注意的是Ti3SiC2具有可加工性,很容易使用傳統(tǒng)工具進(jìn)行機(jī)械加工；還具有比Mo

2、S2和石墨更低的超低摩擦系數(shù)和優(yōu)良的自潤(rùn)滑性能。正是由于Ti3SiC2所具有的這些優(yōu)異性能,使其在許多領(lǐng)域內(nèi)得到應(yīng)用。目前人們采用了多種的合成方法：化學(xué)氣相沉積法(CVD)、熱壓燒結(jié)法(HP)、自蔓延高溫合成法(SHS)、固液相反應(yīng)法、放電等離子燒結(jié)法(SPS)、熱等靜壓法(HIP)等等。盡管合成Ti3SiC2材料的方法很多,但合成材料中往往有TiC、SiC或硅化物等雜質(zhì)相存在,嚴(yán)重影響Ti3SiC2材料的性能；并且制備工藝復(fù)雜,需要較

3、高的合成溫度,使得合成成本較高,大量地消耗了能源。 本研究采用反應(yīng)燒結(jié)工藝合成Ti3SiC2材料。在研究中采用了三種原料的配比:Ti/Si/C,Ti/SiC/C,TiC/Si/Ti,在三個(gè)工藝參數(shù)(燒結(jié)溫度、不同Si含量、保溫時(shí)間)下,研究不同實(shí)驗(yàn)原料的配比對(duì)合成Ti3SiC2材料的純度及合成的塊體Ti3SiC2材料氣孔率的影響。得出以單質(zhì)元素Ti/Si/C為原料,其配比為n(Ti):n(Si):n(C)=3:1.2:2,在12

4、50℃下,保溫1h,可以得出Ti3SiC2材料的氣孔率相對(duì)較低,純度在93wt％以上,表明是合成的最佳原料和最佳的工藝參數(shù)。并且此溫度是至今為止合成Ti3SiC2材料的最低合成溫度。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果、Ti-Si二元相圖、Ti3SIC2和TiC的晶體結(jié)構(gòu)圖和一些熱力學(xué)數(shù)據(jù)來進(jìn)一步的分析合成Ti3SiC2材料的反應(yīng)機(jī)理。得出合成Ti3SiC2的反應(yīng)是固-液反應(yīng)：隨著燒結(jié)溫度的升高,由Ti原子與C原子反應(yīng)合成TiC,Ti原子與Si原子反

5、應(yīng)合成Ti5Si3,Ti5Si3逐漸的與游離在其周圍的β-Ti形成Ti-Si(L),而Ti-Si(L)再與TiC反應(yīng)合成Ti3SiC2。從TiC和Ti3SiC2晶體結(jié)構(gòu)方面分析,TiC是NaCl型結(jié)構(gòu),是以Ti6C為一個(gè)生長(zhǎng)單元,通過共棱的方式連接在一起。而Ti3SiC2是以Ti6C八面體以共棱的方式連接在一起,再由Si原子層再將他們分割開來,形成層狀結(jié)構(gòu)。這也說明了,TiC是合成Ti3SiC2的反應(yīng)物。然而燒結(jié)溫度過高,合成的Ti3S

6、iC2會(huì)發(fā)生分解,生成TiC和氣態(tài)Si。測(cè)試了燒結(jié)試樣在不同的燒結(jié)溫度下的彎曲強(qiáng)度和布氏硬度,得出：在1250℃時(shí)試樣的彎曲強(qiáng)度和硬度最大,分別為105.59MPa和101HB。通過觀察Ti3SiC2塊體材料的斷口和表面形貌,可以得出其抗損傷機(jī)制為:Ti3SiC2材料的斷裂在宏觀上是屬于沿晶斷裂和氣孔斷裂,但局部晶粒又發(fā)生了穿晶斷裂、分層、裂紋在晶粒內(nèi)部偏轉(zhuǎn)、微裂紋擴(kuò)展、晶粒拔出等多種的能量消耗形式來抵抗損傷,從而阻止剪切應(yīng)力、壓應(yīng)力的