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钛铝碳及铜/钛铝碳复合材料

艾明星  
【摘要】:本论文首次详细阐述了高纯钛铝碳及其与铜复合材料的制备方法和相关的技术科学基础问题。 用无压煅烧法,将Ti、Al、C(石墨)单质粉按摩尔比Ti:Al:C=3:1.1:1.8的比例均匀混合后在氩气保护下高温烧结,获得了几乎不含杂质相的高纯度Ti_3AlC_2反应产物。但是,当一次合成量较大时,总是在合成反应的过程中发生“热爆”。此时,不仅合成产物中TiC等杂质相的含量显著增大,而且存在对烧结炉造成损坏的潜在威胁。 采用添加Sn的办法,有效地抑制了“热爆”的发生,解决了批量合成Ti_3AlC_2粉料的关键技术问题。以适量的Sn作为添加剂不仅抑制了“热爆”的发生,而且显著降低了合成温度,拓宽了合成温度的范围,在1350℃~1500℃的温度范围内都能获得Ti_3AlC_2相体积含量达到98%以上的蓬松状反应产物。此外,以Sn为添加剂,用热压原位反应烧结法可靠获得了纯度达98%以上的多晶Ti_3AlC_2致密块体材料。 X-射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)的分析和观察结果表明,添加的Sn可能进入Ti_3AlC_2晶格的Al原子层形成Ti_3Al_(1-x)Sn_xC_2(x=0~1)固溶体,或与Ti、C结合形成Ti_2SnC/Ti_3AlC_2复合结晶。由于Ti_3Al_(1-x)Sn_xC_2或Ti_2SnC的含量很少,而且它们的晶体结构和理化特性与Ti_3AlC_2十分接近,所以用XRD的方法很难辨别,对制备的Ti_3AlC_2粉料性能也几乎没有影响。 为制备Cu/Ti_3AlC_2复合材料,深入研究了Ti_3AlC_2与Cu的反应机理;首次发现Cu具有诱发层状结构的Ti_3AlC_2晶粒层间解离和T_3C_2层间聚集的作用。在此基础上,借助差热分析和相图分析的方法,探讨了烧结温度和Cu与Ti_3AlC_2的相对含量对Cu与Ti_3AlC_2的化学反应和产物性态的影响。根据扫描电子显微镜(SEM)观察和能谱分析(EDS)的结果推断:当烧结温度高于800℃时,Cu与Ti_3AlC_2中的Al发生双向扩散;Cu进入Ti_3AlC_2的Al层,Al从Ti_3AlC_2中逸出并与Cu形成Cu-Al合金相或Cu-Al金属间化合物。在Ti_3AlC_2与Cu的体积比小于63.47%的情况下,Cu/Ti_3AlC_2烧结体中的原Ti_3AlC_2晶粒内形成厚度约125nm的Ti_3C_2聚集层和Cu-Al层规则交替层叠的微细复合结构。当Ti_3AlC_2与Cu的体积比大于63.47%时,Cu-Al合金薄层全部或部分地以金属间化合物的形态存在,Ti_3C_2聚集层和Cu-Al层规则交替层叠的微细复合结构不能形成。这些结果表明,至少在没有第三相参与的情况下,Ti_3AlC_2与Cu的复合是典型的


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