Ti3AlC2陶瓷材料的热压合成及其性能的研究

摘要

三元层状碳化物Ti3AlC2兼具金属和陶瓷的优异性能，有很好的导热和导电性能，有较低的维氏硬度，较高的弹性模量和剪切模量，像金属一样可进行机械加工，并在较高温下具有塑性，较低的温度下具有良好的抗损伤容限性能；同时它又具有陶瓷的优异性能，有较高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和良好的抗氧化性能、耐腐蚀性能。它是一种具有潜在应用前景的高温结构材料。
　　合成该三元碳化物有很多方法，例如热压合成(HP)、自蔓延高温反应合成(SPS)、热等静压(HIP)、化学气相沉积合成(CVD)等等。由热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体以及细晶粒的组织，所以本论文采用热压合成法制备陶瓷材料。其工艺为：采用两个组成体系：Ti/Al/C和Ti/Al4C3/C，温度为1200~1500℃，压力30 MPa，保温时间为2 h。得到的样品采用X射线衍射、扫描电镜结合能谱仪、等实验仪器，分析样品的相组成、微观结构，并测定其相关性能。
　　XRD分析结果表明，在温度为1200℃时，由于反应不均匀会有中间相生成。随着温度的升高，主相Ti3AlC2的含量增加，当达到1500℃时，几乎能生成纯的Ti3AlC2。Ti3AlC2陶瓷材料表面呈现金属光泽，无明显的宏观缺陷；Ti3AlC2陶瓷的微观组织结构具有三元层状碳化物的典型特征。
　　采用Ti/Al4C3/C体系时，Ti3AlC2陶瓷材料的维氏硬度随温度的升高先增大后减小，在1400℃时达到4.16GPa。断裂韧性和弯曲强度大值分别为6.32MPa?m1/2和398.1MPa；采用Ti/Al/C体系时，Ti3AlC2陶瓷材料的维氏硬度随温度的升高而增大，断裂韧性和弯曲强度大值分别为6.03 MPa?m1/2和405.5 MPa。热导率以及比热容随着温度的升高而增大；Ti3AlC2在200~1400℃的热导率为20.2W?m-1?K-1增加到25.6 W?m-1?K-1，Ti3AlC2在200~1400℃时的比热容由107.8J?mol-1?K-1升高到163.4J?mol-1?K-1。热扩散系数随温度基本不变。
　　Ti3AlC2在800℃、900℃及1000℃下具有良好的热腐蚀行为及抗氧化性能，实验结果表明：在腐蚀初期，增重较快，是一个加速腐蚀的过程。经过一段时间后，增重减缓，腐蚀速率降低。800℃发生低温热腐蚀，900℃和1000℃发生高温热腐蚀。腐蚀层分为内层和外层，内层主要为钠盐，外层主要为氧化物的混合物，内层与基体结合紧密，外层较为疏松。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 Ti3AlC2的结构与性能

1.3 国内外研究现状

1.4 Ti3AlC2的应用前景

1.5 论文的研究内容及意义

第2章 原料与测试方法

2.1 实验原料及配比设计

2.2 工艺流程设计

2.3 成分及组织结构分析

2.4 性能测试及表征

2.5 本章小结

第3章 Ti3AlC2陶瓷材料的组织结构和性能

3.1 Ti3AlC2陶瓷材料的组织结构

3.2 Ti3AlC2陶瓷材料的力学性能

3.3 Ti3AlC2陶瓷材料的热性能

3.4 本章小结

第4章 Ti3AlC2陶瓷材料的高温热腐蚀研究

4.1 热腐蚀简介

4.2 腐蚀动力学曲线

4.3 腐蚀后的组织结构分析

4.4 本章小结

第5章 Ti3AlC2陶瓷材料的抗氧化性能

5.1 恒温氧化动力学曲线

5.2 氧化层的表面组成

5.3 氧化层的微观形貌

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢