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新型层状陶瓷材料MAX相Ti3AlC2兼有金属和陶瓷的特性,不仅像金属一样具有导电导热性与可加工性,而且具有与陶瓷类似的良好耐腐蚀性和高温抗氧化性。然而Ti3AlC2晶体结构中A1原子层和[Ti6C]八面体间的结合力较弱,导致其硬度和强度偏低,从而限制了该材料的广泛应用。针对此问题,本文以钛(Ti)粉、铝(A1)粉和石墨(C)粉为原料,采用粉末冶金法原位反应制备出高纯高致密的Ti3AlC2材料,并对其性能进行研究。在此基础之上,提出了采用Si掺杂改善其性能的思路,研究了 Si掺杂对Ti3AlC2材料性能的影响,通过对弯曲强度、断裂韧性、裂纹扩展路径及断口形貌的分析,阐明了 Si掺杂对Ti3AlC2材料性能影响机理。论文通过热力学计算分析了 Ti-Al-C体系合成Ti3AlC2材料的反应过程。通过改变原料配比(Ti:Al:C=3:1:2、3:1.1:1.8、3:1.2:2)、烧结温度(1200 ℃、1300℃和1400 ℃ 和保温时间(10min、60 min),研究其对合成Ti3AlC2材料的影响。发现在Ti:Al:C=3:1.2:2,烧结温度为1300 ℃保温60 min烧结条件下可以制备出纯度最高为97.23 wt.%的Ti3AlC2材料。通过对烧结温度为700～1400 ℃、保温10 min烧结条件下产物物相分析,阐明了合成Ti3AlC2材料的反应过程及机理。论文同时研究了原料配比对Ti3AlC2材料性能的影响。通过对Ti:Al:C=3:1:2、Ti:Al:C=3:1.1:1.8和Ti:Al:C=3:1.2:2三种配比在1300。℃保温60 min烧结条件下制备的Ti3AlC2材料性能进行测试,结果表明,原料配比显著影响产物的纯度,Ti3AlC2纯度越高,材料的维氏硬度、弯曲强度、断裂韧性和导电率越高。其中纯度为97.23 wt.%的Ti3AlC2材料性能表现优异,其维氏硬度、弯曲强度、断裂韧性和导电性分别为5.26 GPa、500 MPa、7.35 MPa·m1/2、3.37×106 s·m-1。断口形貌分析表明,在外加载荷作用下,其特有的层状组织会发生挤压、扭折等变形。在此基础上,论文引入Si原子对Ti3AlC2进行掺杂。随着Si添加量的增加,Ti3AlC2材料的衍射峰表现出逐渐向右偏移,材料的维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性先增加后降低。当Si的添加量为0.2时,其维氏硬度、弯曲强度和断裂韧性分别为5.52 GPa、546 MPa、7.51 MPa·m1/2,表现出最佳性能。当Si的添加量继续增加时,产物中会生成Ti3SiC2和TiC。断口形貌分析表明,穿晶断裂、层间撕裂且伴随裂纹分叉、偏转是其主要的断裂机制,这种复杂的混合断裂模式,阻碍了裂纹的扩展,能够消耗更多的断裂能,从而提高了材料的弯曲强度和断裂韧性。