Ti3AlC2-Cu納米復合粉體及其塊體材料的制備.pdf

1、為解決陶瓷增強顆粒尺寸大、與基體界面結合弱、組織缺陷多、以及增強顆粒添加工藝方面的諸多問題，以進一步提高陶瓷顆粒增強金屬基復合材料(MMCs)的綜合性能和可靠性，多年來已經嘗試選擇了多種陶瓷材料增強顆粒和各式各樣的制備工藝，包括近年來對Ti3AlC2及其原位蛻變TiCx顆粒增強Cu、Ni等MAX相陶瓷增強MMCs的大量研究。
　　為獲得更小的亞微米或納米級的、表面活性更高的、且易于添加的陶瓷增強顆粒，以突破多年來限制MMCs性能及

2、可靠性提高的“瓶頸”，本論文采用機械合金化高能球磨方法，以Cu粉為球磨介質，研究了Ti3AlC2/Cu納米級復合粉體的制備工藝及其影響因素，并以其為原料制備了Cu基和Ni基復合材料，取得了以下主要研究結果：
　　1.將Ti3AlC2直接進行高能球磨很難將顆粒度破碎到亞微米的水平，且球磨過程或出料過程很容易發(fā)生分解，甚至自燃。添加Cu粉，可高效地使Ti3AlC2顆粒細化，且可解決高能球磨過程中Ti3AlC2的分解和其納米顆粒的保存問

3、題。試驗表明，在微米級Ti3AlC2粉末中添加適量的Cu粉，經過一定的球磨工藝過程，Ti3AlC2和Cu的一次顆粒度均可減小到100nm以下。其主要機理在于，堅硬而邊緣銳利的Ti3AlC2碎屑對Cu顆粒的切割作用，和Cu屑對于Ti3AlC2碎屑之間的阻隔作用以及對Ti3AlC2碎屑表面斷鍵的化學飽和作用。
　　2.對XRD圖譜的精修計算和透射電鏡形貌觀測的結果表明:在真空條件下，經過2h的高能球磨，Ti3AlC2的晶粒尺寸可減小到

4、18～22.6nm，而球磨10h可減小到8～12nm。與此同時，作為介質的Cu粉的晶粒尺寸分別減小到35～46nm和12～13nm。然而，由于納米尺度的Ti3AlC2顆粒和Cu顆粒的表面具有很高的活性，高能球磨后Ti3AlC2與Cu均勻混合的復合粉體大多以幾十微米尺度的二次團聚體顆粒形式存在。但是這種二次團聚并不影響后續(xù)的塊體材料制備。
　　3.將獲得的Ti3AlC2/Cu復合粉體在低于Cu的理論熔點的950℃溫度下熱壓燒結，可得

5、到致密的高陶瓷含量的Cu基復合材料，且復合材料的密度隨著復合粉體球磨時間的延長而增大。復合材料的致密化機理主要是由于顆粒納米化導致Cu熔點的降低而產生液相燒結，以及Cu與Ti3AlC2之間良好的潤濕性和納米級均勻混合使得Cu與Ti3AlC2擴散距離縮短。
　　4.相同燒結工藝下，Ti3AlC2/Cu復合材料的力學性能和物理性能隨復合粉體球磨時間的延長而提高。其中利用球磨6h的60Ti3AlC2/Cu復合粉體制備的復合材料的壓縮強度

6、為1267MPa，硬度為4.9GPa，電導率為5.19％IACS。
　　5.將Ti3AlC2/Cu納米復合粉體與Ni粉混合，在1150℃溫度下無壓燒結制成TiCx顆粒增強Ni基復合材料。由Ti3AlC2原位蛻變的TiCx顆粒十分均勻地彌散分布在Ni合金基體之中，其平均粒徑達到300nm左右。其中原料的體積比為Ti3AlC2∶Cu∶Ni=20∶13.3∶66.7的TiCx/Ni基復合材料的壓縮強度和三點彎曲強度分別為1123±15M

7、Pa和482±20MPa。
　　本論文的主要創(chuàng)新點:
　　1.利用機械合金化高能球磨的方法，以Cu粉為球磨助劑，解決了亞微米/納米級Ti3AlC2粉體的制備問題，以及高活性的亞微米/納米級Ti3AlC2粉體在空氣中易自燃而不能穩(wěn)定存在問題。
　　2.利用納米級Ti3AlC2/Cu復合粉體，在950℃低溫下燒結即可制得高強度、良好導電率的Ti3AlC2/Cu復合材料，有效地改善了Ti3AlC2或其轉化物TiCx顆粒增強相