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Ti3SiC2是一种新型陶瓷材料,它和石墨一样具有层状结构,拥有良好的自润滑性。像金属一样是优良的热、电导体。与陶瓷相比相对较“软”,易于加工。高温下仍有极好的抗热震性和抗氧化性。Ti3SiC2作为高温结构材料及电极材料等有着广泛的应用潜力。
本文对Ti3SiC2的反应机理进行了研究,在此基础上采用无压烧结和放电等离子烧结制备出高纯度Ti3SiC2材料,并对Tr/(Ti3SiC2-SiC)层状材料的制备进行了探索。
示差扫描量热分析和X射线衍射分析结果表明:采用摩尔比为3 Ti:Si:2C作为配比无压烧结制备Ti3SiC2过程中,反应主要集中在800-1200℃和1400-1500℃。Ti5Si3Cy和TiCx在800-1200℃大量生成。Ti3SiC2主要在1400-1500℃由Ti5Si3Cy、TiCx和C反应生成。
以摩尔比为3Ti/1.1 Si/2C和3Ti/1.2Si/2C为原始成分,采用无压烧结能获得高纯Ti3SiC2,其杂质相均为微量SiC和TiSi2。而以5Ti/2Si/3C为原始成分烧结后产物中杂质相主要是TiSi2,经氢氟酸酸洗后制备出纯净的Ti3SiC2粉末。
增加原始配比中Si的含量对1400℃以下反应过程影响不明显,但在1400℃以上时对反应影响显著。DSC结果表明以3Ti/1Si/2C和3Ti/1.1Si/2C为配比的样品在1500℃以下均没有出现Ti3SiC2的生成峰,而以3T/1.2Si/2C,3Ti/1.35Si/2C和3Ti/1.5Si/2C以及0.42Ti/0.23Si/0.35C为配比的样品Ti3SiC2生成峰峰值温度分别为1473℃、1464℃、1439℃和1405℃。
原始成分中加入过量的Si能避免产生常见杂质相TiC,但TiSi2和SiC在烧结产物中的含量随着Si在原始成分中含量增加而增加。适当增加Si的含量能提高烧结产物的致密度。
采用(3Ti:1.2Si:2C)+2 wt.% Al和3Ti:1.2Si:2C为原始成分,1300℃放电等离子烧结(SPS)15分钟可制备出较致密的Ti3SiC2材料。未添加铝粉的样品中存在大量TiC和少量Ti5Si3杂质相,此外还存在较多未完全反应的石墨,而加铝粉的样品中只含有微量的SiC杂质相。
SPS制备0.8Ti3SiC2-0.2SiC复合材料时,添加铝粉和未添加铝粉的样品中均没有TiC出现,均存在未完全反应的石墨,未添加铝粉样品中有少量TiSi2出现而添加铝粉样品中并没有这一物相存在。制备0.5 Ti3SiC2-0.5SiC复合材料时,加铝和未加铝的样品中主相均为Ti3SiC2,且均含有SiC、TiSi2和大量未完全反应的石墨。加铝的样品中SiC含量明显高于未加铝的样品,其含量也更接近理论设计成分,且TiSi2含量显著低于未加铝的样品。
以Ti粉、SiC粉和石墨粉为原料,球磨后加入0.5 wt.%粘结剂,165℃、200 MPa温压压制成形,500℃保温1h使粘结剂挥发,在氩气保护条件下1500℃无压烧结2h制备出Ti-SiC基层状材料。原始粉末球磨5h后能够检测到少量Ti3SiC2,延长球磨时间至10 h和15 h并没有其他新相出现,Ti3SiC2相的含量也没有明显增多,只是随着球磨时间的延长,晶粒进一步细化。烧结试样中SiC层复合材料中主相是SiC,有较多的TiC和少量的Ti3SiC2。层状材料中SiC基复合材料层与Ti层通过约15μm厚的反应层实现了冶金连接,反应层主相是TiC,此外还有少量Ti3SiC2及Ti-Si共晶相。
采用SPS制备出Ti/Ti3SiC2/(0.9Ti3SiC2+0.1SiC)/(0.8Ti3SiC2+0.2SiC)层状材料。TiC存在设计成分为Ti3SiC2、0.9Ti3SiC2+0.1 SiC和0.8Ti3SiC2+0.2SiC层中,但含量逐渐减少。Ti5Si3相同样存在这三层中,其含量基本保持稳定。SiC开始少量出现在0.9Ti3SiC2+0.1SiC层中,在0.8Ti3SiC2+0.2SiC层中其含量显著增加。TiSi2出现在0.8Ti3SiC2+0.2SiC层中。
Ti/Ti3SiC2的界面在800℃和1000℃热处理时,界面反应产物均为TiCx。随着热处理时间的延长并没有产生新相,而且反应层厚度的增加趋势也逐渐变缓。