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新型三元层状陶瓷材料Ti3AlC2由于其优异的性能受到材料研究者的广泛关注。Ti3AlC2同时具有金属和陶瓷的双重特性:像金属一样,在常温下,有很好的导热性能和导电性能,有较低的维氏硬度和较高的弹性模量和剪切模量,可以进行机械加工,并在高温下具有塑性;同时,它也具有陶瓷的特性,具有高的屈服强度,高熔点、高热稳定性和良好的抗氧化性能及自润滑性能。
Ti3AlC2的制备方法包括自蔓延高温合成(SHS)、无压合成(PLS)、机械合金化(MA)、放电等离子烧结(SPS)、热压烧结(HP)和热等静压(HIP)。本研究采用无压合成制备高纯Ti3AlC2粉末材料,并用该方法制备的粉末为原料,国内首次采用热等静压烧结制备Ti3AlC2块体,并与热压烧结制备Ti3AlC2块体相比较,将二者得到的块体材料的性能进行对比分析。
本研究采用5种原料配比,以Ti、Al、C、TiC、Sn为原料,按照不同的摩尔比例进行混合,无压合成进行Ti3AlC2粉末的制备。通过调整无压合成的工艺,寻找制备高纯Ti3AlC2粉末材料的最佳制备方法。之后,采用热等静压烧结法,分别由无压合成得到的粉料及未经合成的混合粉体为原料,制得Ti3AlC2块体材料;采用热压烧结法,由未经合成的混合粉体为原料,制得Ti3AlC2块体材料。对比分析两种制备方法制得的块体材料的性能。
研究结果表明,以TiC、Al、Ti和Sn为原料,按照2:1:1:0.1的比例混合,在H2气氛下无压合成,合成温度为1500℃,保温30min,可得到纯度为97wt%以上的Ti3AlC2粉体材料。
用热等静压法制备Ti3AlC2块体材料,以TiC:Al:Ti:Sn=2:1:1:0.1,在H2气氛中,1280℃下进行无压合成得到Ti3AlC2粉末材料为原料,经CIP整形后,进行HIP,温度1350℃,保温2h,得到的Ti3AlC2块体的密度为4.53g/cm3,抗弯强度为325MPa,断裂韧性为6.32MPa·m1/2,维氏硬度HV为3.7GPa,常温电导率为2.2×106S.m-1。
以TiC:Al:Ti:Sn=2:1:1:0.1,采用热压烧结法,在1400℃,20MPa压力下,保温保压1小时,获得的Ti3AlC2块体材料密度为4.53g/cm3,抗弯强度为293MPa,断裂韧性为7.07MPa.m1/2,维氏硬度HV为2.6GPa,常温电导率为2.6×106S·m-1。
综上所述,在本论文中,分别开展了以无压合成制备高纯度的Ti3AlC2粉末材料和以无压合成得到的Ti3AlC2粉末为原料,经热等静压烧结制备高性能Ti3AlC2块体材料的研究,对产物性能进行了分析。研究结果表明,无压合成法结合热等静压烧结可以得到性能优异的Ti3AlC2陶瓷材料,为Ti3AlC2材料的制备提供了新的研究思路。