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热压合成含铝Ti_3SiC_2材料及其性能研究

刘俊  
【摘要】: Ti_3SiC_2是一种新型的结构陶瓷材料,由于其兼具了金属和陶瓷材料的诸多优异性能而成为材料研究人员的研究的焦点。一方面它表现出金属的某些性能,如在常温下具有良好的导热性和导电性,相对较低的Vickers硬度和较高的弹性模量,还具有延展性;而另一方面它又具有陶瓷材料的某些性能,如具有较高的屈服强度、高热稳定性和良好的抗热冲击性和高温抗氧化性。尤其引人注意的是Ti_3SiC_2具有可加工性,很容易使用传统工具进行机械加工,还具有比MoS_2和石墨更低的超低磨擦系数和优良的自润滑性能。正是由于Ti_3SiC_2所具有的这些优异性能,使其在许多领域内的应用成为可能。迄今为止,人们采用各种方法如化学气相沉积法(CVD)、自蔓延高温合成(SHS)、固液相反应法、机械合金化辅助合成法(MA)、热压(HP)、热等静压(HIP)以及放电等离子烧结(SPS)等来制备Ti_3SiC_2材料,但往往难以得到单相Ti_3SiC_2材料,产物中经常伴随有大量的第二相TiC和硅化物Ti_xSi_y。 本研究采用热压工艺合成Ti_3SiC_2材料,并提出了在起始原料中掺加Al粉作为合成Ti_3SiC_2的反应助剂。热压的研究结果表明:在温度为1300~1400℃的范围内和30MPa的压力以及Ar气氛保护下热压摩尔配比为n(TiC):n(Ti):n(Si):n(Al)=2:1:(0.9~1.0):(0.3~0.2)的粉料混合物能制备单相高纯致密Ti_3SiC_2块体材料。掺加适量的Al粉能促进Ti_3SiC_2的反应合成,同时加速Ti_3SiC_2晶体的生长和烧结致密化过程。1400℃热压2TiC/Ti/Si/0.2Al粉料可得Ti_3SiC_2相含量为98.2%,相对密度为其理论密度的98.8%的高纯致密Ti_3SiC_2材料。经过计算,掺加适量的Al粉并采用热压工艺所制备的Ti_3SiC_2材料的晶格参数分别为a=0.3063nm,c=1.7645nm。与其它学者所测定纯Ti_3SiC_2相的晶格参数相近,这表明铝固溶在Ti_3SiC_2基体形成固溶体,而并未显著改变其晶体结构。 研究了热压烧结Ti_3SiC_2的物理性能和高温抗氧化性能。主要包 武汉理工大学硕士学位论文 括抗压强度、三点抗弯强度、断裂韧性和Vickers显微硬度等力学性 能:室温至800aC范围内材料的电阻率;室温至1 ZO0oC间的热导率; 室温至IOO0aC的线性热膨胀系数:900一1300oC空气中的恒温氧化 增重和1100、12000C下循环氧化40个循环的增重测试。各项性能 测试的结果与文献值吻合较好。氧化增重实验的结果表明:在起始 原料中掺加Al粉有助于提高所合成材料的Ti3siCZ纯度,减少杂质 相的生成。试样表面形成了一层主相为a一A12O3的致密保护性氧化 膜,阻止了材料的内层发生进一步的氧化,从而极大地提高了材料 的高温抗氧化性,为Ti3SICZ材料在高温条件下的应用提供新的研究 思路。


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