反应烧结合成Ti3SiC2材料及其力学性能的研究

论文摘要

近些年来，新型三元层状化合物Ti3SiC2得到了迅速发展，基于它的特殊物理化学性能，而引起了物理和材料学专家强烈的研究兴趣，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；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Ti3SiC2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MoS2和石墨更低的超低摩擦系数和优良的自润滑性能。正是由于Ti3SiC2所具有的这些优异性能，使其在许多领域内得到应用。目前人们采用了多种的合成方法：化学气相沉积法（CVD）、热压烧结法（HP）、自蔓延高温合成法（SHS）、固液相反应法、放电等离子烧结法（SPS）、热等静压法（HIP）等等。尽管合成Ti3SiC2材料的方法很多，但合成材料中往往有TiC、SiC或硅化物等杂质相存在，严重影响Ti3SiC2材料的性能；并且制备工艺复杂，需要较高的合成温度，使得合成成本较高，大量地消耗了能源。本研究采用反应烧结工艺合成Ti3SiC2材料。在研究中采用了三种原料的配比：Ti/Si/C，Ti/SiC/C，TiC/Si/Ti，在三个工艺参数（烧结温度、不同Si含量、保温时间）下，研究不同实验原料的配比对合成Ti3SiC2材料的纯度及合成的块体Ti3SiC2材料气孔率的影响。得出以单质元素Ti/Si/C为原料，其配比为n（Ti）：n（si）：n（c）=3：1．2：2，在1250℃下，保温1h，可以得出Ti3SiC2材料的气孔率相对较低，纯度在93wt％以上，表明是合成的最佳原料和最佳的工艺参数。并且此温度是至今为止合成Ti3SiC2材料的最低合成温度。根据实验结果、Ti-Si二元相图、Ti3SiC2和TiC的晶体结构图和一些热力学数据来进一步的分析合成Ti3SiC2材料的反应机理。得出合成Ti3SiC2的反应是固-液反应：随着烧结温度的升高，由Ti原子与C原子反应合成TiC，Ti原子与Si原子反应合成Ti5Si3，Ti5Si3逐渐的与游离在其周围的β-Ti形成Ti-Si（L），而Ti-Si（L）再与TiC反应合成Ti3SiC2。从TiC和Ti3SiC2晶体结构方面分析，TiC是NaCl型结构，是以Ti6C为一个生长单元，通过共棱的方式连接在一起。而Ti3SiC2是以Ti6C八面体以共棱的方式连接在一起，再由Si原子层再将他们分割开来，形成层状结构。这也说明了，TiC是合成Ti3SiC2的反应物。然而烧结温度过高，合成的Ti3SiC2会发生分解，生成TiC和气态Si。测试了烧结试样在不同的烧结温度下的弯曲强度和布氏硬度，得出：在1250℃时试样的弯曲强度和硬度最大，分别为105．59MPa和101HB。通过观察Ti3SiC2块体材料的断口和表面形貌，可以得出其抗损伤机制为：Ti3SiC2材料的断裂在宏观上是属于沿晶断裂和气孔断裂，但局部晶粒又发生了穿晶断裂、分层、裂纹在晶粒内部偏转、微裂纹扩展、晶粒拔出等多种的能量消耗形式来抵抗损伤，从而阻止剪切应力、压应力的传递及裂纹的扩展，限制了接触损伤区的范围。从而提高了Ti3SiC2材料的塑性，这就说明Ti3SiC2材料本身具有“微塑性”。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 前言
• 1.1 引言
• 3SiC₂材料的研究进展'>1.2 Ti₃SiC₂材料的研究进展
• 3SiC₂的结构'>1.2.1 Ti₃SiC₂的结构
• 3SiC₂材料的合成制备研究现状'>1.2.2 Ti₃SiC₂材料的合成制备研究现状
• 3SiC₂材料的性能'>1.2.3 Ti₃SiC₂材料的性能
• 3SiC₂材料的应用前景'>1.3 Ti₃SiC₂材料的应用前景
• 1.4 研究的意义及内容
• 1.4.1 研究的意义
• 1.4.2 研究的内容
• 2. 实验方法及内容
• 2.1 实验原料
• 2.1.1 原料配比设计
• 2.1.2 原料的特性
• 2.2 工艺过程及方案
• 2.2.1 原料制备
• 2.2.2 压制
• 2.2.3 干燥
• 2.2.4 烧结
• 2.3 组织分析及性能测试
• 2.3.1 组织分析
• 2.3.2 性能测试
• 3SiC₂材料的研究'>3. 反应烧结制备Ti₃SiC₂材料的研究
• 3SiC₂材料的影响'>3.1 烧结温度对合成Ti₃SiC₂材料的影响
• 3SiC₂材料相组成的影响'>3.1.1 烧结温度对Ti₃SiC₂材料相组成的影响
• 3SiC₂材料气孔率的影响'>3.1.2 烧结温度对Ti₃SiC₂材料气孔率的影响
• 3SiC₂材料的影响'>3.2 不同的Si含量对合成Ti₃SiC₂材料的影响
• 3SiC₂材料相组成的影响'>3.2.1 Si含量对Ti₃SiC₂材料相组成的影响
• 3SiC₂材料气孔率的影响'>3.2.2 Si含量对Ti₃SiC₂材料气孔率的影响
• 3SiC₂材料的影响'>3.3 保温时间对合成Ti₃SiC₂材料的影响
• 3SiC₂材料相组成的影响'>3.3.1 保温时间对Ti₃SiC₂材料相组成的影响
• 3SiC₂材料气孔率的影响'>3.3.2 保温时间对Ti₃SiC₂材料气孔率的影响
• 3SiC₂材料微观形貌'>3.4 Ti₃SiC₂材料微观形貌
• 3.5 气孔产生的原因
• 3SiC₂材料的反应机理'>4. 反应烧结合成Ti₃SiC₂材料的反应机理
• 3SiC₂材料的反应机理'>4.1 Ti/Si/C为原料合成Ti₃SiC₂材料的反应机理
• 4.1.1 热力学分析
• 4.1.2 晶体结构分析
• 3SiC₂材料的反应机理'>4.2 TiC/Si/Ti为原料合成Ti₃SiC₂材料的反应机理
• 3SiC₂的反应过程'>4.3 合成Ti₃SiC₂的反应过程
• 3SiC₂材料的力学性能及其抗损伤机制'>5. Ti₃SiC₂材料的力学性能及其抗损伤机制
• 3SiC₂材料的力学性能'>5.1 Ti₃SiC₂材料的力学性能
• 5.1.1 弯曲强度
• 5.1.2 硬度
• 3SiC₂材料的抗损伤机制'>5.2 Ti₃SiC₂材料的抗损伤机制
• 6. 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果