Ti3SiC2结合刚玉材料的制备、结构及性能研究

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Ti3SiC2陶瓷材料综合了金属和陶瓷的优良性能,如高强度、高熔点、耐氧化、抗热震、高断裂韧性,易加工性等,使其具有广阔的应用前景。为了更好的利用Ti3SiC2的优异性能,通过制备Ti3SiC2结合刚玉材料,希望避免传统碳质耐火材料易氧化的缺点,净化钢水,提高连铸件的使用寿命;此外,添加Ti3SiC2于刚玉材料,改善了刚玉的韧性和材料的可加工性,以实现连铸耐火材料多功能、高性能和长寿命的发展要求。本文以板状刚玉为骨料,两种原料体系:TiC/Ti/Si,TiC/Ti/SiC作基质相,酚醛树脂作结合剂,在氩气保护下于1350-1550℃制备Ti3SiC2结合刚玉材料。研究了原料体系、烧成温度、基质相组成对其相组成、显微结构及常温物理性能的影响。此外,还研究了结合剂含量、聚乙烯醇替代酚醛树脂作结合剂、颗粒级配、掺Al含量对Ti3SiC2结合刚玉材料性能的影响。研究结果表明:(1)两种原料体系制备所得Ti3SiC2结合刚玉材料的相组成均为Al2O3,Ti3SiC2和TiC。两种原料体系在1350-1400℃合成材料耐压强度较高;随着烧成温度升高,其耐压强度减小。其中,Ti3SiC2结合刚玉材料采用体系TiC/Ti/Si,在1400℃烧结6h获得最佳综合性能:基质相中Ti3SiC2含量达到64%,耐压强度为65MPa。(2)随着基质相中掺入Al2O3含量增加,样品中Ti3SiC2合成量先增加后减少,在10%时,合成量达到最大值,为71%。此外,随着Al2O3含量增加,样品的气孔率略有增大,耐压强度呈下降趋势。(3)酚醛树脂结合剂含量为4.5%时,Ti3SiC2结合刚玉材料的常温物理性能较好。基质相中Ti3SiC2含量达到65%,气孔率为24%,耐压强度为72MPa。(4)相比于酚醛树脂结合剂,使用聚乙烯醇作结合剂制备的Ti3SiC2结合刚玉样品的Ti3SiC2纯度明显增加,但显气孔率增大,耐压强度降低。(5)随着颗粒级配中细粉含量的增加,Ti3SiC2结合刚玉样品的耐压强度增大。(6)掺Al能加快Ti3SiC2晶粒的反应合成和生长,并能显著提高制备材料的纯度。但随着掺Al量的增加,Ti3SiC2结合刚玉样品的耐压强度降低。
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