Ti2SnC、Ti2SC粉体的制备及其氧化机理研究

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三元层状Mn+1AXn相陶瓷(简称MAX,M为过渡金属元素,A大多数为主族元素,X为碳或氮元素)因其兼具有陶瓷和金属的优异性能,而倍受材料研究者的青睐。本论文利用自蔓延高温合成(SHS)方法制备Ti2SnC,Ti2SC粉体材料,研究不同原料组成和配比对合成材料的物相组成及微观形貌的影响,并分析其反应机理。同时利用酸洗的方法对Ti2SnC进行纯化;根据Semenovs热爆炸理论中热爆临界温度DSC判据,研究2Ti-Sn-C体系在不同加热速率下的热爆临界温度,并结合多元线性回归方程推导其热爆临界温度;研究Ti2SC粉体在空气气氛下的氧化行为,并对其氧化机理进行分析。  利用自蔓延高温合成技术,以Ti粉,Sn粉和石墨粉为原料合成的Ti2SnC中含有TiC,TixSny和Sn杂质,随着Sn含量的增加材料中的TixSny和TiC杂质相逐渐降低;当原料中Sn的量为1.05mol时,TixSny和TiC相消失,材料的层状结构更加明显;当Sn的含量为1.1mol时,材料中又出现了TiC相。说明适当的添加Sn的比例可以促进Ti2SnC的合成。同时结合DSC曲线研究了2Ti-Sn-C的反应机理。  基于Semenovs热爆炸理论,根据线性升温热爆临界温度DSC判据,以不同的加热速率获得DSC曲线,并对其升温部分求导获得一系列的热爆临界温度(Tc),利用多元线性回归方程获得2Ti-Sn-C体系的热爆临界炉膛温度为602.4℃;以Ti∶Sn∶C=2∶1∶1的摩尔比,于真空状态,以10℃/min的加热速率升至600℃左右,成功的合成了高纯的Ti2SnC粉体,说明该判据获得的2Ti-Sn-C体系的热爆临界温度真实可靠。同时调节Sn在原料中的摩尔比,研究不同的原料比对其物相组成和微观形貌的影响。  以Ti粉,S粉,TiC粉和石墨粉为原料采用自蔓延燃烧合成技术合成Ti2SC粉体。在Ti-S-C/TiC的合成产物中主相为Ti2SC,有少量的TiC和Ti3S4,随着TiC的增加Ti2SC衍射峰的相对强度逐渐强,当TiC的含量为1.05mol时Ti3S4消失,并且促进Ti2SC片层结构的形成,在反应体系中,S先变为液态,随着温度的升高钛包裹在碳的外面形成钛碳层,继续加热Ti和S反应生成Ti3S4及液态的Ti-S,温度逐步升高钛碳层形成TiC,最后TiC与Ti3S4发生反应生成片状的Ti2SC。TiC的添加可以有效避免合成Ti2SC过程中产生的热爆反应。  以自蔓延高温合成的Ti2SC粉体为原料,研究Ti2SC粉体在空气环境下的氧化行为。Ti2SC粉体在500℃开始氧化至800℃氧化完全,最终的氧化产物为金红石型TiO2,粉末颜色由灰色变为黄色。其氧化过程是由向外扩散的S和C原子与向内扩散的氧原子形成了SO2和CO2气体挥发到环境中,同时使Ti原子暴露在氧化环境中形成TiO2。
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