原位合成Ti-,3-AlC-,2--Al-,2-O-,3-復(fù)合材料及其性能研究.pdf

1、Ti3AlC2是一種新型的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，由于其兼具了金屬和陶瓷材料的諸多優(yōu)異性能而成為材料研究人員研究的焦點(diǎn)。它像金屬材料一樣，在常溫下，有很好的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，相對較低的Vickers硬度和較高的彈性模量，在常溫下有延展性；同時(shí)，它具有陶瓷材料的性能，有高的屈服強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能，在高溫下能保持高強(qiáng)度。更為重要的是，它不同于傳統(tǒng)碳化物陶瓷，可以像金屬一樣，用傳統(tǒng)的加工方式進(jìn)行加工，并且具有比MoS2和石墨更

2、低的超低摩擦系數(shù)和優(yōu)良的自潤滑性能。這些優(yōu)異的性能使其成為新材料研究中的重要對象。然而，由于其硬度低以及較低的抗蠕變強(qiáng)度，極大地限制了。Ti3AlC2作為高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。 在基體材料中引入第二相是一種提高材料性能的方法。Al2O3是一類具有許多優(yōu)良的性能的陶瓷，如高熔點(diǎn)、高硬度、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗腐蝕性好、具有剛度、耐磨性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱等特性。更為重要的是，Al2O3與Ti3AlC2的熱膨脹系數(shù)很接近，因此，在Ti3AlC2基體

3、中引入Al2O3來改善Ti3AlC2材料的硬度和強(qiáng)度，從而制備Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料。 本文采用原位技術(shù)結(jié)合放電等離子以及熱壓燒結(jié)工藝合成Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料，在Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料的合成過程中，添加Si作為合成助劑，在1250℃下和1400℃下生成5-25vol.％不同體積含量的Al2O3，分別采用放電等離子和熱壓燒結(jié)工藝合成了Ti3AlC2/Al2O3塊體材料。通過比較分析燒結(jié)樣品的X

4、RD圖譜可以看出，SPS燒結(jié)雜質(zhì)相較多，熱壓燒結(jié)可以得到較純的Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料。因此本實(shí)驗(yàn)采用熱壓工藝制度燒結(jié)。研究結(jié)果表明： (1)采用原位技術(shù)結(jié)合熱壓燒結(jié)方法在1400℃下，30MPa壓力和保溫2h下燒結(jié)，可以得到相對密度達(dá)99％以上的致密塊體Ti3AlC2/Al2O3材料；試樣的主晶相為Ti3AlC2和Al2O3兩相，存在少量的TiC雜質(zhì)相。 (2)SEM分析發(fā)現(xiàn)：Ti3AlC2晶體發(fā)育良好，晶體

5、為層狀結(jié)構(gòu)，Al2O3顆粒隨機(jī)分散在Ti3AlC2基體相中，晶粒發(fā)育較完善，分布也較均勻；隨著Al2O3的含量增加，層狀晶粒的生長受到進(jìn)一步的抑制，晶粒尺寸明顯變小，且有少量Al2O3顆粒開始團(tuán)聚。 研究了Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料的物理性能，常溫化學(xué)腐蝕能力以及循環(huán)氧化行為。在Ti3AlC2中添加Al2O3能大幅度提高材料性能，Ti3AlC2/25vol.％Al2O3復(fù)合材料的Vickers硬度達(dá)到8.7GPa，當(dāng)Al

6、2O3的體積含量為10％時(shí)，抗彎強(qiáng)度為461.10MPa，斷裂韌性為6.20MPa·m1/2。隨著Al2O3體積比含量增加，燒結(jié)樣品的電導(dǎo)率呈下降趨勢，從3.05×106S·m-1降低到2.68×106S·m-1；研究了復(fù)合材料在酸堿鹽中的腐蝕行為，材料在HNO3中的腐蝕率最大。 Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料在800℃-1000℃空氣中的循環(huán)氧化行為表明，在空氣中循環(huán)氧化30次符合拋物線規(guī)律。氧化拋物線速率常數(shù)分別為1.10×10