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《哈尔滨工业大学》 2010年
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层状Ti_3AlC_2的燃烧合成及其性能研究

钱旭坤  
【摘要】:Ti 3 AlC2是MAX化合物的典型一员,由于其具有低密度、高电导、高热导、良好的抗热震性能和可加工性等,因而在众多领域有很大的潜在应用。本论文采用燃烧合成的方法制备了高纯度的Ti 3 AlC2,并对其燃烧合成机理、热物性能、导电性能和抗循环氧化性能进行了系统的研究。 红外测温仪测得Ti-Al-C体系燃烧合成最高温度为1780°C,高于Al和Ti的熔点。对Ti-Al-C体系热力学分析表明:在低温区Ti3Al的生成趋势最大,而在高温区TiC的生成趋势最大。根据Ti-Al-C体系热力学分析,淬熄区域的XRD、SEM/EDS和TEM分析结果,提出Ti 3 AlC2的燃烧合成机理如下:Al首先在660°C发生熔化,随后包覆到Ti颗粒的表面。Ti开始向液态Al中溶解,并且在界面处生成TiAlx金属间化合物,并且释放出大量的热,引燃了自蔓延反应。体系的温度被进一步提高,Ti颗粒和先前生成的TiAlx发生熔化,形成Ti-Al熔体并开始在C颗粒表面铺展。碳元素开始溶解到Ti-Al熔体中,并且开始形成TiC 0.67 ,TiC0.67的形成导致体系温度进一步提高并能达到最高温度。当体系温度降低到1370°C时,TiC 0.67开始和液态的Al反应生成Ti 3 AlC 2。 本论文分别研究了坯体的致密度以及Ti、Al和C粉末的初始配比对燃烧合成产物的物相组成的影响。结果表明前者对产物的物相组成影响很小,后者对产物的物相组成有较大影响。对合成产物在1100°C进行2 h的热处理,结果发现物相组成并没有发生明显变化。 采用直流四端电极法测试了Ti 3 AlC2在51~900°C电阻率。结果发现在该温度区间内,其电阻率随温度升高呈线性增加的关系,表现出与金属相同的导电规律。 在200~1200°C范围内测试了Ti3 AlC2的线膨胀系数,结果发现平均值为9.3×10-6 K-1。对Ti 3 AlC2在200~1200°C的热导率研究发现,热导率随着温度的升高而增大,而且电子和声子对Ti 3 AlC 2的热导均有贡献。Ti 3 AlC2在200~1200°C时的摩尔热容随着温度的升高而变大。 通过对Ti 3 AlC2在550~1300°C的40次抗循环氧性能的研究,发现在550和650°C存在反常氧化现象。在550和650°C,其循环氧化动力学基本属于直线加速型的;而在750~1300°C,其循环氧化动力学属于抛物线型。XRD和XPS结果表明:在550和650°C,氧化膜由锐钛矿型和金红石型TiO2以及非晶态Al 2 O 3组成;在750~950°C,Ti 3 AlC 2表面氧化膜由α-Al 2 O3和锐钛矿型TiO2。表面和截面形貌观察均发现在550和650°C时形成的氧化膜疏松、表面充满裂纹,并且与Ti 3 AlC2基体结合处有裂纹存在;在750~1300°C时形成的氧化膜致密,无裂纹且和Ti 3 AlC2基体结合良好。在1000和1100°C时,氧化膜包含外层非连续的锐钛矿型TiO 2和内层连续的α-Al 2 O3;在1200°C时,氧化膜外层是非连续的Al 2 TiO 5 ,中间层是TiO 2和α-Al 2 O3的混合物,内层为连续的α-Al 2 O 3 ;在1300°C时,氧化膜的最外层为Al 2 TiO 5 ,中间层为α-Al 2 O3和Al 2 TiO 5的混合物,内层为连续的α-Al 2 O 3 ,并且像钉子一样深深扎入Ti 3 AlC2基体,形成机械钉扎,大大提高了氧化膜和基体的界面强度。 利用XRD测试了Ti 3 AlC2在1000°C经历5、20和40次循环氧化后,表面氧化膜中的残余应力。结果发现氧化膜中存在压应力,分别为0.82,0.65和0.49 GPa。而Fe-Cr-Al高温合金在1100~1300°C经历40 h氧化后,表面氧化膜中的应力为4~5 GPa,因此Ti 3 AlC2表面氧化膜内的应力要比Fe-Cr-Al高温合金表面氧化膜中的应力小许多。 为了提高Ti 3 AlC2在低温的抗循环氧化能力,采用了高温预氧化技术。结果发现在1100°C空气中预氧化2 h后,能有效提高其在550和650°C的抗循环氧化能力。 在室温下对Ti 3 AlC2的氧化机理进行了研究,发现其氧化过程包含两个阶段。在第一个阶段只发生氧的吸附和溶解,发现没有钛、铝和碳的氧化。在第二个阶段铝发生选择性氧化;而Ti2p和C1s电子结合能的峰位在经历3600 s后仍然没有发生明显的变化,意味着钛和碳没有被氧化。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB383.1

【参考文献】
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