钛碳化硅陶瓷材料的研究进展.pdf
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1、SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯工 业 与 技 术 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯钛碳化硅陶瓷材料的研究进展贾换 王娇 徐简 武国强(西安思源学院 陕西西安 710038)摘要:三元层状化合物钛碳化硅是一种结合金属和陶瓷性能的新型金属陶瓷,它具有较高的力学性能、优良的耐磨损性能、导热导电性能、良好的耐腐蚀和抗高温氧化性能等,被广泛应用于机电、化工、冶金和航空航天等领域。该文首先综述了Ti3SiC2材料的结构、制备方法,其次对Ti3SiC2材料的制备工艺、力学性能等进行了介绍,最后对Ti3SiC2材料
2、未来研究方向进行了展望。关键词:Ti3SiC2 制备 性能 第二相中图分类号:TQ175文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2023)16-0120-04Research Progress of Ti3SiC2 Ceramic MaterialsJIA Huan WANG Jiao XU Jian WU Guoqiang(Xi an Siyuan University,Xian,Shaanxi Province,710038 China)Abstract:The laminated Ti3SiC2 is a new kind of metallic ceramic because t
3、hey combine properties of metallic and ceramic simultaneously.Due to the favourable high mechanical property,excellent wear resistance,thermal and electrical conductivity and excellent high temperature oxidation resistance properties,Ti3SiC2 ceramic materials are used in a wide range of fields such
4、as electromechanical,chemical machinerymetallurgical and aerospace.Ti3SiC2 materials preparation,structure and preparation method are reviewed.This paper summarizes properties,preparation methods and the future research direction of Ti3SiC2 composite materials.Key Words:Ti3SiC2;Preparation technolog
5、y;Performance;Reinforced phaseMn+1AXn是三元层状化合物,如Ti3SiC2、Ti2A1C、Ti2SnC、Ti3A1C2等,其中最典型的是Ti3SiC21。钛碳化硅集陶瓷和金属的优良特性于一身,具有许多优异的特性,如良好的导电导热性、机械加工性、高强度、高硬度、耐化学腐蚀性、耐氧化性等,可作为轴承材料、滑电弓类材料、减摩材料等,在机电、化工等领域广泛应用,因而得到了研究者的极大关注。近年来,研究者利用不同合成方法来钛碳化硅,主要为提高钛碳化硅合成纯度、力学性能、抗氧化性等。本文就钛碳化硅材料的晶体结构、性能特点、制备方法和应用进展进行了总结。1 Ti3SiC2的
6、结构钛碳化硅的结构模型可知:平面硅原子层将八面体Ti6C隔开,形成层状结构,碳原子位于结合八面体Ti6C的中心,一个晶胞由两个钛硅碳分子组成。三元化合物钛碳化硅是一种六方晶系,C原子位于Ti6C八面体的中心,Ti6C八面体与Si层间隔连接呈层状结构,相应的晶体结构见图1,其包含共价键、离子键和金属DOI:10.16661/ki.1672-3791.2302-5042-7063基金项目:陕西教育厅专项科研基金(项目编号:21JK0853);西安思源学院“绿色建造技术科研创新团队”基金(项目编号:21ky01);陕西省大学生创新创业训练计划项目(项目编号:S202113121034)。作者简介:贾
7、换(1986),女,硕士,副教授,主要从事高温耐火材料等相关研究。120SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 工 业 与 技 术科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION键,这种特殊的价键赋予Ti3SiC2材料1。2 Ti3SiC2陶瓷材料制备方法钛碳化硅的主要合成技术方法有微波加热合成、热压烧结、自蔓延高温法、化学气相沉积法、热等静压法、微波加热合成及无压烧结等,它们各有合成技术的优缺点2,具体如表1所示。放电等离子烧结、热压烧结法、热等静压法等生产不能大规模化,成本高;而机械合金化法、自蔓延高温法、微波加热合成
8、、无压烧结等操作简单、成本低廉,但生产中易有杂质相,可以用两种或多种合成方法相结合制备钛碳化硅材料。3 Ti3SiC2陶瓷材料的制备与性能研究不同研究者对钛硅碳的制备方法、制备工艺及研究结果进行了总结与对比,具体见表2。在研究过程中,于明志3以钛、硅、碳粉为原料采用高能球磨Ti3SiC2的粉体含量83%,其工艺要求是转速400 r/min,磨球直径为10 mm,球料比10 1,球磨时间10 h;放电离子烧结装置进行热处理后的Ti3SiC2纯度为99.1%。3.1 Ti3SiC2的力学性能夏田等人4通过HP以Ti/Si/TiC为原料制备均匀致密的钛碳化硅陶瓷材料。研究表明:烧结温度越高,试样越致
9、密,力学性能越高。肖琪聃等人5通过RMI以Ti/TiC/Si为原料试样钛碳化硅的纯度为96.1%。研究表明:钛碳化硅相含量越多,试样显气孔率降低,致密度提高,材料的性能随之明显提高。李世波等人6采用HP以TiH2、SiC为原料制备钛碳化硅材料,研究结果表明:钛碳化硅材料的压痕形貌类似于塑性金属,具有较大强度,压痕的周围并没有明显的裂纹存在。此外,钛碳化硅材料通过多种能量吸收机制来抵抗损伤,除了裂纹偏折、裂纹桥联外,颗粒扭曲、颗粒拔出及颗粒层化也是主要的能量耗损机理。RMI材料具有较低的维氏硬度,它的压痕形貌和塑性金属的类似;在最大的表1 常见钛碳化硅合成方法合成方法放电等离子烧结法热压烧结法无
10、压烧结法自蔓延高温法化学气相沉积法热等静压法机械合金化法微波加热合成简称SPSHPSHSCVDHIPMA优点操作简单、烧结温度低、反应升温速度快,时间短、单件耗能小,同时其烧结产物密度小、晶粒尺寸小,适用范围较广烧结温度低,产物致密度高、晶粒尺寸小,产品机械性能、电化学性能良好操作简单,易大规模生产操作简单、消耗时间短真空密封性好,附着性好,低温下镀上高熔点材料镀层,控制晶粒大小与微结构化学成分稳定、力学性能各向同性、结构适应性好、成本低成本低廉、工艺简单和适宜工业化生产工艺操作简单、升温速率快、合成时间短、产物纯度高,可实现空间选择性烧结且安全无污染缺点技术电源复杂,设备投资大生产效率低、生
11、产成本高烧结产物纯度低,致密度低烧结产物纯度低,晶粒尺寸小反应复杂,反应温度和反应程度难以控制反应条件要求高,价格昂贵,反应物的使用率低工艺成型复杂,生产效率低含TiC和硅化物等杂质不宜大规模生产图1 钛碳化硅的结构模型121SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯工 业 与 技 术 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯压力条件下,压痕的周围并没有明显的裂纹存在。薛茂权等人7采用无压烧结制备钛碳化硅陶瓷材料,以TiC或SiC为原料体系的不适合采用无压烧结法制备;经合成粉末置于40%氟化氢中,热反应得到产物SiC、
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