层状可加工陶瓷Ti3SiC2自蔓延高温合成反应机理的研究

论文摘要

层状可加工陶瓷Ti3SiC2既具有金属的特性，它在常温下有很好的导热性能和导电性能，相对较高的弹性模量，具有延展性，可以像金属一样进行加工；同时，它又具有陶瓷材料的性能，相对较低的密度和热膨胀系数，具有高强度、高熔点、高热稳定性。另外，它还具有比传统的固体润滑剂石墨和二硫化钼更低的磨擦系数和良好的自润滑性能，从而使Ti3SiC2的应用就极具吸引力和广阔的前景。自蔓延高温合成（SHS）以其独特的优点成为制备材料的新技术，可用于Ti3SiC2层状可加工陶瓷的制备。目前关于Ti3SiC2的SHS反应机理研究还开展很少，因此，研究Ti3SiC2的SHS反应机理既有重要的科学意义，也有重要的工程应用价值。本文采用燃烧波淬熄法研究了Ti3SiC2层状可加工陶瓷自蔓延高温合成（SHS）过程中的显微结构转变和燃烧合成机理。用扫描电镜（SEM）观察了Ti3SiC2燃烧合成反应过程中的显微结构转变过程，用能谱仪（EDX）分析了各微区的成分变化，测量了燃烧反应温度TC，用XRD分析了合成产物的相组成，并结合反应物体系的差热分析（DTA），探讨Ti-C-Si体系的燃烧合成反应机理。研究结果表明，层状可加工陶瓷Ti3SiC2的自蔓延高温合成反应起始于Ti-Si溶液的形成，反应过程中燃烧合成产物的形成可以用溶解-析出机制描述：Ti、Si、C粉粒逐渐向Ti-Si溶液中溶解，随着Ti、Si、C粉粒继续溶解，所形成的Ti-Si-C溶液逐渐增多并包裹Ti和Si粉粒，Ti和Si粉粒的尺寸由于不断溶解而逐渐减小。当Ti-Si-C溶液中的Ti、C浓度达到饱和时，从中析出TiC颗粒，并放出大量的热量，从而促使更多的Si、C粉粒溶解，析出SiC颗粒。随着反应温度的升高，TiC和SiC与剩余的熔融Ti通过固-液反应转化生成最终产物Ti3SiC2。研究结果还表明，Ti-C-Si体系的燃烧合成反应具有不完全性，在产物中除了有Ti3SiC2外，还存在较多量的TiC、SiC相。这主要是由于Ti3SiC2的绝热温度较高，实验中为保证较好的淬熄效果，使用了较粗的Ti粉和Si粉（135～154μm），较粗的Ti粉和Si粉增加了原子扩散的距离，导致反应温度偏低，此外，实际进行的自蔓延燃烧合成过程是非理想的绝热过程，存在热量损失也是造成燃烧反应不完全的原因之一。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 文献综述
• 3SIC₂简介'>1.1 层状可加工陶瓷TI₃SIC₂简介
• 3SiC₂的结构、性能特点及应用展望'>1.1.1 层状可加工陶瓷Ti₃SiC₂的结构、性能特点及应用展望
• 1.1.2 层状可加工陶瓷Ti3SiC2的研究现状
• 1.1.3 层状可加工陶瓷Ti3SiC2的制备方法
• 1.2 自蔓延高温合成简介
• 1.2.1 自蔓延燃烧合成的基本理论
• 1.2.2 自蔓延燃烧合成的研究现状
• 1.3 燃烧合成机理研究的方法
• 1.3.1 燃烧特征推测法
• 1.3.2 过程激活能法
• 1.3.3 特征点分析法
• 1.3.4 实时X射线衍射法（TRXRD,Time-ResoyedX-RayDiffraction）
• 1.3.5 燃烧波淬熄法（CFQT,CombustionFrontQuenchingTechnigue）
• 1.4 本研究的目的、意义、方法及研究内容
• 1.4.1 研究目的和意义
• 1.4.2 燃烧合成机理研究的进展
• 1.4.3 研究方法
• 1.4.4 研究内容
• 2 TI3SIC2的热力学分析计算
• 2.1 TI3SIC2的SHS反应绝热温度的计算
• 2.2 TI、C、SI三元体系反应自由焓△G的计算分析
• 2.3 小结
• 3 TI3SIC2反应物体系的相形成过程
• 3.1 实验
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 原料的差热分析（DSC-TGA）实验
• 3.1.3 差热分析后的样品X射线衍射分析（XRD）实验
• 3.2 实验结果
• 3.2.1 原料的差热分析（DSC-TGA）
• 3.2.2 差热分析后的样品X射线衍射分析（XRD）
• 3.3 实验结果讨论
• 3.4 小结
• 4 自蔓延燃烧合成TI3SIC2过程中的显微结构演变
• 4.1 实验
• 4.1.1 实验原料
• 4.1.2 燃烧波淬熄实验
• 4.1.3 燃烧温度的测量
• 4.1.4 燃烧合成产物的X射线衍射分析（XRD）
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 燃烧温度
• 4.2.2 燃烧合成产物的相组成
• 4.2.3 显微结构演变
• 4.3 结果讨论
• 4.3.1 燃烧温度的分析
• 4.3.2 燃烧合成的反应机理
• 4.3.3 反应的不完全性
• 4.3.4 Ti-C-Si系燃烧反应的溶解-析出机制模型
• 4.4 小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在读硕士学位研究生期间论文完成情况