文档介绍：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
课程名称
学院
专业名称
东北大学秦皇岛分校陶瓷材料学资源与材料学院材料科学与工程
陶瓷材料学
班级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
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陶瓷材料学
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
【2】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。
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。×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***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
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陶瓷材料学
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=,b= A。点群为6/mmm,