Ti3AlC2及Cu/Ti3AlC2金属陶瓷的制备及性能研究

论文摘要

Ti3AlC2作为一种新型层状三元化合物,具有金属和陶瓷的许多优良性能。像金属一样,具有优异的导热导电性,良好的可加工性和抗热震性,还具有非常高的断裂韧性;像陶瓷一样,具有高强度、高熔点、耐腐蚀、抗氧化等特点。在许多领域有着广阔的应用前景。本文首先以Ti、Al、C单质粉为原料,利用原位热压技术研究了Ti-Al-C体系的反应路径。研究表明,在Ti-Al-C体系中,首先Ti与Al反应生成Ti-Al化合物,然后Ti与C反应生成TiC,随着温度升高,TiC溶解到Ti-Al液相中析出Ti3AlC2。以单质粉为原料制备Ti3AlC2材料时,在产物中除了Ti3AlC2外,还存在较多的TiC、Ti2AlC等杂质相。随后,以TiC、Ti、Al为原料,按摩尔比TiC:Ti:Al = 2:1:（1-1.2）设计配方,通过优化工艺参数（升温速率、热压控制、压坯尺寸和烧结温度）,制备出较纯净的Ti3AlC2材料。对Ti3AlC2材料的高温氧化性进行了研究。结果表明,Ti3AlC2在800～1000℃的空气中氧化30h后,氧化动力学服从抛物线规律;氧化层主要成分为TiO2和Al2O3,与基体粘结紧密,起到良好的保护作用;整个氧化过程主要由Al3+和Ti4+的向外扩散和O2-的向内扩散控制。最后,采用粉末冶金工艺制备Cu/Ti3AlC2金属陶瓷,借助XRD、SEM观察相变化和断口形貌,并研究Ti3AlC2增强相含量对产物密度、Vickers硬度、抗弯强度、断裂韧性的影响。结果表明,随着烧结温度的升高,Cu的衍射峰位置向左偏移,这与Al的固溶有关。随着Ti3AlC2含量的增加,密度和断裂韧性逐渐减小,Vickers硬度逐渐增大,抗弯强度先增大后减小。当Ti3AlC2含量为30wt%时,Cu/Ti3AlC2金属陶瓷综合性能最好,其Vickers硬度、抗弯强度、断裂韧性分别为1.7GPa、733MPa、9.3MPa·m1/2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 3AlC₂ 陶瓷的研究现状'>1.2 Ti₃AlC₂陶瓷的研究现状
• 3AlC₂ 陶瓷的结构'>1.2.1 Ti₃AlC₂陶瓷的结构
• 3AlC₂ 陶瓷的制备技术'>1.2.2 Ti₃AlC₂陶瓷的制备技术
• 3AlC₂ 陶瓷的性能'>1.2.3 Ti₃AlC₂陶瓷的性能
• 3AlC₂ 陶瓷的应用前景'>1.2.4 Ti₃AlC₂陶瓷的应用前景
• 1.3 铜基复合材料的研究进展
• 1.4 本文研究意义及内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 研究内容
• 3AlC₂陶瓷的制备研究'>第2章 Ti₃AlC₂陶瓷的制备研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法及过程
• 2.2.1 原材料和仪器
• 2.2.2 制备工艺
• 2.2.3 测试手段
• 3AlC₂ 的研究'>2.3 Ti-Al-C 体系原位合成Ti₃AlC₂的研究
• 2.3.1 不同温度对合成产物相成分的影响
• 2.3.2 Ti-Al-C 体系反应机理研究
• 3AlC₂ 的研究'>2.4 2TiC-Ti-Al 体系原位合成Ti₃AlC₂的研究
• 3AlC₂ 初探'>2.4.1 2TiC-Ti-Al 体系原位制备Ti₃AlC₂初探
• 2.4.2 升温速率和热压控制对合成产物的影响
• 2.4.3 2TiC-Ti-Al 体系烧结温度对其产物相组成及微观结构的影响
• 2.4.4 2TiC-Ti-1.2Al 体系烧结温度对其产物相组成及微观结构的影响
• 2.4.5 压坯尺寸对合成产物的影响
• 2.5 本章小结
• 3AlC₂高温氧化性能研究'>第3章 Ti₃AlC₂高温氧化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 高温氧化实验
• 3.3 实验结果与分析
• 3.3.1 高温氧化热力学分析
• 3.3.2 高温氧化动力学分析
• 3.3.3 氧化层相组成与微观组织分析
• 3.3.4 氧化机理
• 3.4 本章小结
• 3AlC₂金属陶瓷的制备与性能研究'>第4章 Cu/Ti₃AlC₂金属陶瓷的制备与性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法及过程
• 3AlC₂ 金属陶瓷的制备'>4.2.1 Cu/Ti₃AlC₂金属陶瓷的制备
• 4.2.2 性能测试
• 4.3 实验结果与讨论
• 3AlC₂ 粉体的物相分析'>4.3.1 Ti₃AlC₂粉体的物相分析
• 3AlC₂ 金属陶瓷相组成及结构分析'>4.3.2 Cu/Ti₃AlC₂金属陶瓷相组成及结构分析
• 3AlC₂ 金属陶瓷的性能分析'>4.3.3 Cu/Ti₃AlC₂金属陶瓷的性能分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间学术成果
• 致谢