陶瓷材料学结课论文

陶瓷的烧结机理及Ti3SiC2 高性能陶瓷的制备

学校东北大学秦皇岛分校

课程名称陶瓷材料学

学院资源与材料学院

专业名称材料科学与工程

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学号

学生姓名

指导教师

日期2014年11月06日

摘要:综述了Ti3SiC2高性能陶瓷材料的国内外研究现状和进展，介绍了Ti3SiC2的主要制备方法、性能、烧结机理及其应用，最后展望了Ti3SiC2高性能陶瓷的发展前景。

关键词: Ti3SiC2；制备方法；发展前景；应用；烧结机理

1 引言

材料科学家们在不断地研究新型的高性能陶瓷材料。使之既具有陶瓷材料耐高温、抗氧化、高强度的特点,又具有金属材料良好的导电性、导热性、塑性和可加工性的特点。金属陶瓷就是基于这一思想发展起来的。然而在金属陶瓷中金属结合相的抗氧化性和耐高温性能差,金属陶瓷的脆性也未得到根本解决。20世纪80年代,由于纤维、晶须等增强剂的迅速发展和航空高推重发动机的要求,陶瓷基复合材料成为了研究的热点。尽管采用纤维、晶须增强使其脆性得到了改善，但是由于其制备成本高,可靠性差,使这种陶瓷基复合材料难以得到广泛应用。最近三元层状碳化物Ti3SiC2受到了材料科学家们的广泛重视。Ti3SiC2是Ti-Si-C 系统中唯一的真正三元化合物,既具有金属的优异性能【1】。

2 国内外研究现状

Ti3SiC2是一种年轻的陶瓷材料,虽然早在1967年就合成成功,但由于无法制备出纯的大块单相材料,因而自问世后沉睡了近30年,直到1996年美国Ｄrexel 大学的Baosoum和EI-Raghy成功地使用热等静压法合成出纯的大块单相Ti3SiC2材料以及他们一系列开创性的工作后,这种材料才重新引起人们的重视【2】。

Ti3SiC2是金属与陶瓷的三元化合物,晶体结构属于六方晶系,是TiC层和纯Si层交替排列的层状结构,每隔4层TiC出现一层纯Si层。在电镜下观察, Ti3SiC2陶瓷的显微结构是由长条晶粒构成,界面平直,在晶内和晶界上有位错存在,(0001)面上有层错,在室温下变形时这些位错可以滑动和增殖。Ti3SiC2具有一系列优异的性能,它的热导率很高,在室温下约为40Ｗ/ｍ·Ｋ,随温度上升略有下降。室温下的电导率为4.5×106Ｓ/ｍ,几乎是纯金属Ti的两倍,是优良的导热体和导电体。它有很高的热力学稳定性,在惰性气体中1800℃仍不分解,有优良的抗热震性和抗氧化性,在1400℃淬火试样不开裂。在高温下Ti3SiC2仍能保持较高的强度,是一种极具潜力的高温结构材料。Ti3SiC2除了上述的优异的性能外,其最引人注目的性能就是它可以像石墨那样很容易加工,在无润滑条件下用高速钢刀具可以方便地车削、钻孔,加工出尺寸精确的螺纹,甚至用手工锯条就能切割,其层状结构是它具有优良的可加工性能的主要原因。另外,由于Ti3SiC2的高导电率,使用放电加工(EDM)也很方便【2】。

最初人们是将Ti粉、Si粉和碳黑混合均匀,通过自蔓延高温合成法(SHS)制成Ti3SiC2粉末,再将这些粉末在无压或热压下烧结成型,但最终样品中含有20Vol%左右的TiC,无法制备出纯的单相的Ti3SiC2。纯的单相大块Ti3SiC2材料首次是通过热等静压法(HIP)合成的,将Ti粉、碳粉和Si粉(按摩尔比Ti:Si:Ｃ=3:1:2)充分混合,在180ＭPa压力下冷压成型,然后在40ＭPa压力和1600℃下

热压烧结4ｈ,合成的Ti3SiC2中杂质含量少于1%。最近Khoptiar等人将SHS 法和HIP法结合,也成功地制备出纯的单相Ti3SiC2,首先用SHS法合成出含～45Vol%Ti3SiC2的Ti3SiC2- TiSi2-SiC共晶混合物,再将其在1500℃下热压烧结制得单相的Ti3SiC2【2】。

3 目前发展

Ti3SiC2陶瓷作为一种性能优异、前景广阔的新型材料，其潜在应用可以广泛分布于机械、物理等行业作为导电、导热、传动材料等等。

（1）机车电传动

钛硅碳(Ti3SiC2)材料是结构、导电和自润滑多功能合一的新型材料体系。其固有的类似金属材料的导电、导热和易加工等特性和类似陶瓷材料的轻质、抗氧化、耐高温等特性，是通过晶体的结构设计或者说晶内复合得到的，不存在宏观复合的热失配、弹性失配和电阻失配问题，所以具有好的化学稳定性和物理行为协调性。被广泛应用于受电弓滑板材料和机电车传动方面【3】。

（2）导电导热材料

Ti3SiC2材料属于六方晶系，晶胞可以看成是Si六面体骨架被共边的Ti6C 八面体分开。点阵参数为:c=3.0665入,b=17.67 A。点群为6/mmm，理论密度为4.531 g/cm3，熔点高于30000摄氏度，其特殊的纳米尺度层状结构是非同一般的自润滑性存在的内在原因。因为晶体中存在着Ti-C键和Ti-Si键，而且Ti-Si 键在平行于Si层的区域内形成不定域电子，类似于金属材料中的自由电子，因而该材料具有金属那样良好的导电性和导热性，被广泛用于导电导热材料中【3】。（3）其他领域

Ti3SiC2材料较高的力学性能、抗热震性能和抗氧化性能以及良好的导电和

导热性能、较低的摩擦系数以及可加工性使得该材料可用作防弹甲板材料、换热器、锂离子燃料电池极板、电刷、导电连接部件等【4】。

4 Ti3SiC2高性能陶瓷的制备

到目前为止合成和制备方法主要包括:无压固相反应烧结法、热压与热等静压烧结法、化学气相沉积法、脉冲放电烧结法、自蔓延高温合成法、微波烧结法和机械合金化结合热压烧结法。但微波烧结作为一种有别于传统加热方式的烧结工艺，具有如下特点：①微波加热为体加热，温度梯度小；②能实现快速烧结，高效节能；③能实现对材料的选择性加热；④绿色环保。

4.1微波法合成Ti3SiC2粉体

对于Ti3SiC2的合成已有相当多的报道，除了广为人知的化学气相沉积法(CVD)、热等静压法(HIP)、热压烧结法(HP)、电弧熔融法，新近发展的自蔓延高温合成法(SHS)、脉冲放电烧结法(PDS，SPS)、波动合成法(FS)以及机械合金化法(MA)同样被用来合成制备高纯的Ti3SiC2。其中压力辅助的热压烧结和脉冲电流烧结被证实更加有效。Barsoum等人将Ti/SiC/C 粉体在冷压之后在1600摄氏度下40MPa的压力下热压烧结4h制备了Ti3SiC2纯度为98vol.%的块体材料。Sun等人以Ti/Si/TiC 粉体为原料，采用脉冲放电烧结所得产物中Ti3SiC2的质量分数达到99%。微波烧结作为一种新的材料合成制备手段已经在诸多领域证实了自身的优越性。微波烧结依靠材料自身的介电损耗从而实现对材料的整体加热，材料在升温过程中受热均匀，内外温度梯度小，制品不易开裂，同时兼有绿色环保等特点。因此，本文选择以微波烧结的方式来合成对热力学因素极其敏感的Ti3SiC2【5】。