氧化物增强Ti3SiC2基复合材料的制备、结构及性能研究

摘要

Ti3SiC2材料结合了金属和陶瓷的许多优良性能，在常温下有良好的导电性能和导热性能，高温下具有塑性，同时，具有高熔点，高的屈服强度，高热稳定性。众多的优良性能使Ti3SiC2可望在电极电刷材料、电接触材料、低摩擦系数材料、可加工性陶瓷、热交换器、特殊机械密封件及高温结构件等领域得到应用，因此受到材料界的重视。但是纯Ti3SiC2材料在1100℃以上抗氧化性较差，同时由于高温塑性变形，导致其在高温下的强度降低，使用受限。
　　实验以Ti粉、TiC粉、Si粉为原料，以Al2O3粉和MgAl2O4粉为添加物，采用反应热压烧结法制备了Ti3SiC2材料、A12O3/Ti3SiC2复合材料和MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料。研究了热压温度、添加物种类及其含量对Ti3SiC2基复合材料的相组成、致密度、显微结构、力学性能影响。此外，通过氧化增重曲线、氧化物相组成、氧化层表面形貌和剖面形貌来分析氧化温度、添加物种类及含量对Ti3SiC2基复合材料抗氧化性能的影响。研究结果表明：
　　（1）通过相组成分析和结构观察可知：①试样中的主晶相为 Ti3SiC2相和添加相，另外均含有少量TiC相，TiC镶嵌与层状的Ti3SiC2中；②提高热压温度有利于Ti3SiC2的生成，但热压温度不宜过高。③在1450℃热压温度下可以制备高纯致密的Ti3SiC2基复合材料；④适量Al2O3和MgAl2O4的引入能促进Ti3SiC2的生成。
　　（2）通过对材料进行力学性能研究表明：①层状 Ti3SiC2材料断裂过程中会出现穿晶断裂、内部层裂、裂纹偏转以及颗粒拔出等能量吸收机制，有助于材料的弯曲强度和断裂韧性提高；②提高热压温度，有助于材料弯曲强度和断裂韧性的提高；③适量添加物的引入，可以提高Ti3SiC2基复合材料的力学性能。但是引入量不宜过高，否则材料力学性能会下降。
　　（3）通过对材料在1100~1500℃室温氧化的抗氧化性研究表明：①纯Ti3SiC2试样在高温氧化后主要产物是 TiO2、SiO2，氧化层为双层结构，外层是 TiO2，内层是TiO2与SiO2的两相混合组成，且氧化层中呈现大量显气孔，较为疏松，其高温抗氧化性较差；②引入Al2O3和MgAl2O4，在高温氧化时，在细化氧化层晶粒的同时会与TiO2发生膨胀反应，弥合气孔，提高氧化层的致密度，从而提高Ti3SiC2复合材料的抗氧化性能；③引入 SiC，在高温氧化后的 SiO2的含量增加，在氧化层表面形成一层均匀的保护膜，阻止 O原子进一步向内部扩散，同时形成的高温液相增多，更容易填充气孔，所以具有更好的抗氧化性能。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 Ti3SiC2的晶体结构

1.3 Ti3SiC2的性能

1.4 Ti3SiC2的制备方法

1.5 Ti3SiC2的应用前景

1.6 Al2O3的结构、性能及应用

1.7 MgAl2O4的结构、性能及应用

1.8 Ti3SiC2复合材料的国内外研究现状

1.9 课题研究目的、意义及研究内容

2 试样制备与材料表征

2.1 实验原料和设备

2.2 试样制备

2.3 性能检测及显微结构表征

2.4 采取的技术路线

3 Al2O3的引入对Al2O3/Ti3SiC2复合材料性能的影响

3.1 Al2O3/Ti3SiC2复合材料的致密度及相组成

3.2 Al2O3/Ti3SiC2复合材料的力学性能

3.3 Al2O3/Ti3SiC2复合材料的高温抗氧化性能

3.5 本章小结

4 MgAl2O4的引入对MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料性能的影响

4.1 MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料的致密度及相组成

4.2 MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料的力学性能

4.3 MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料的高温抗氧化性能

4.5 本章小结

5 添加物对Ti3SiC2基复合材料抗氧化性的影响

5.1 添加物对Ti3SiC2基复合材料相组成和致密度的影响

5.2 添加物对Ti3SiC2基复合材料抗氧化性能的影响

5.3 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附 录 硕士研究生期间发表论文