Ti3AlC2陶瓷材料的SHS/PHIP制备工艺及其性能与应用研究

论文摘要

Ti3AlC2是一种新型的结构与功能一体化材料,兼有金属与陶瓷的双重特性,具有广阔的应用前景。但是用不同制备方法与合成工艺获得的Ti3AlC2块体材料在尺寸和性能上均有一定差异。本文在系统实验的基础上首次用自蔓延准热等静压（SHS/PHIP）法制备出了φ150mm的Ti3AlC2陶瓷块体材料,并且对该材料的相关性能与应用进行了深入研究。SHS/PHIP法具有节能、环保、低成本、高效率、合成与致密化能够一步完成和产物尺寸大等优点。本文通过具体实验确定了用SHS/PHIP法制备φ150mm的Ti3AlC2陶瓷块体材料的最佳工艺参数（成分配比为3Ti-1.5Al-1.8C、最佳预制坯相对密度为52%左右、压坯轴向压力为16.5MPa、预压力为1.5MPa、延迟时间为9s、高压压力为70MPa、高温保压时间为32s）,并且分析了工艺参数对SHS/PHIP法制备Ti3AlC2陶瓷块体材料的影响。本文采用多种实验方法和分析测试手段,从实验和理论两方面具体地研究了用SHS/PHIP法制备出的大尺寸Ti3AlC2陶瓷块体材料的微观组织结构、力学性能、抗热震性能、机械加工性能、电性能、热性能、抗氧化性能。研究结果表明:用SHS/PHIP法制备出的大尺寸Ti3AlC2陶瓷的微观组织结构具有三元层状可加工碳化物的典型特征。它不但具有非常好的机械加工性能、高导电性和低热膨胀系数,还具有优异的力学性能、抗氧化性能和抗热震性。论文提出了用SHS/PHIP法制备出的Ti3AlC2陶瓷块体材料作为某设备用电刷材料的设想,以解决某设备在工作中存在电信号采集可靠性差、噪音大、存在“自燃”现象等问题。在自主搭建的模拟某设备工作的测试平台上,对Ti3AlC2陶瓷电刷应用的可行性进行了验证与分析。实验结果表明,Ti3AlC2陶瓷电刷具有较低的载流摩擦系数（小于0.1）、较小的载流磨损量（约为0.005mm3/h）和稳定的滑动接触电压降。因此,从生产制造成本、可加工性、导电性、载流摩擦特性的角度考虑,用SHS/PHIP法制备出的Ti3AlC2陶瓷块体材料完全有可能成为某设备用电刷的候选材料。论文还提出了用SHS/PHIP法制备出的Ti3AlC2陶瓷块体材料作为电解Al隋性阳极材料的设想,以解决Al电解碳阳极在电解过程中温室气体排放量大、能耗大等环境问题。在自主搭建的小型电解槽内对Ti3AlC2惰性阳极的应用进行了可行性验证与分析。实验结果表明,Ti3AlC2惰性阳极在电解过程中具有较低和较为稳定的槽电压,并且可电解出金属Al。因此,从生产批量、材料尺寸、导电率、可加工性、槽电压的稳定性的角度考虑,用SHS/PHIP法制备出的Ti3AlC2陶瓷块体材料可以初步作为Al电解惰性阳极用候选材料。但从电解产品Al的纯度以及惰性阳极的耐蚀性的角度考虑,用Ti3AlC2陶瓷块体材料作为Al电解惰性阳极的应用还需要进行深入的研究,特别是电解工艺参数的优化与电解腐蚀机理的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• n+1AX_n相)'>1.2 三元层状可加工陶瓷(M_n+1AX_n相)
• 3AlC₂的性能与结构'>1.3 Ti₃AlC₂的性能与结构
• 3AlC₂的性能'>1.3.1 Ti₃AlC₂的性能
• 3AlC₂的晶体结构与电子结构'>1.3.2 Ti₃AlC₂的晶体结构与电子结构
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 自蔓延准热等加压（SHS/PHIP）技术
• 1.5.1 自蔓延高温合成（SHS）技术
• 1.5.2 SHS/PHIP技术
• 1.5.3 SHS基本理论
• 1.6 铝电解惰性阳极
• 1.7 滑动电接触材料
• 1.7.1 受电弓滑板
• 1.7.2 电刷
• 1.8 本文研究的主要内容及意义
• 第2章 材料与实验方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 材料制备方法
• 2.3 燃烧反应过程测试
• 2.4 成分及组织结构分析
• 2.4.1 X射线衍射（XRD）分析
• 2.4.2 扫描电镜（SEM）观察
• 2.5 性能测试及表征
• 2.5.1 物理性能测试及表征
• 2.5.2 力学性能
• 2.5.3 抗热震性
• 2.5.4 抗氧化性
• 2.6 本章小结
• 3AlC₂陶瓷的SHS/PHIP制备工艺'>第3章 Ti₃AlC₂陶瓷的SHS/PHIP制备工艺
• 3.1 引言
• 3AlC₂陶瓷的工艺'>3.2 SHS/PHIP法制备Ti₃AlC₂陶瓷的工艺
• 3.2.1 原始粉末组成
• 3.2.2 预制坯的制备
• 3.2.3 致密化工艺
• 3AlC₂陶瓷的影响'>3.3 Al含量对SHS/PHIP法制备Ti₃AlC₂陶瓷的影响
• 3.3.1 不同Al含量的XRD分析结果
• 3.3.2 SHS/PHIP产物的微观结构形貌
• 3.4 本章小结
• 3AlC₂陶瓷的组织和性能'>第4章 Ti₃AlC₂陶瓷的组织和性能
• 4.1 引言
• 3AlC₂的微观组织结构'>4.2 Ti₃AlC₂的微观组织结构
• 3AlC₂的弯曲强度和断裂韧性'>4.3 Ti₃AlC₂的弯曲强度和断裂韧性
• 4.3.1 弯曲强度
• 4.3.2 断裂韧性
• 3AlC₂的压缩强度和变形机制'>4.4 Ti₃AlC₂的压缩强度和变形机制
• 4.4.1 压缩强度
• 4.4.2 压缩变形机制
• 3AlC₂高温压缩行为的影响'>4.4.3 应变速率对Ti₃AlC₂高温压缩行为的影响
• 3AlC₂的抗热震行为'>4.5 Ti₃AlC₂的抗热震行为
• 3AlC₂的硬度与可加工性'>4.6 Ti₃AlC₂的硬度与可加工性
• 4.6.1 硬度
• 4.6.2 可加工性
• 3AlC₂的导电性与热膨胀性能'>4.7 Ti₃AlC₂的导电性与热膨胀性能
• 4.7.1 导电性
• 4.7.2 热膨胀系数
• 4.8 本章小结
• 3AlC₂陶瓷的氧化行为研究'>第5章 Ti₃AlC₂陶瓷的氧化行为研究
• 5.1 引言
• 3AlC₂陶瓷的恒温氧化行为'>5.2 Ti₃AlC₂陶瓷的恒温氧化行为
• 5.2.1 恒温氧化动力学
• 5.2.2 氧化物表面相组成
• 5.2.3 形貌随温度的变化
• 5.2.4 形貌随时间的变化
• 5.2.5 恒温氧化机理
• 3AlC₂陶瓷的循环氧化行为'>5.3 Ti₃AlC₂陶瓷的循环氧化行为
• 5.3.1 循环氧化动力学
• 5.3.2 循环氧化层形貌
• 5.3.3 循环氧化机制及应力分析
• 5.4 本章小结
• 3AlC₂陶瓷的应用研究'>第6章 Ti₃AlC₂陶瓷的应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 作为某设备用电刷的可行性研究
• 6.2.1 应用背景与需求分析
• 6.2.2 电刷的动态性能测试原理及方法
• 6.2.3 动态性能测试结果与分析
• 6.2.4 可行性分析
• 6.3 作为惰性阳极的可行性研究
• 6.3.1 需求分析与应用背景
• 6.3.2 实验方法
• 6.3.3 电解实验结果与分析
• 6.3.4 作为Al电解惰性阳极的可行性分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢