三元层状碳化物Ti3SiC2的研究进展

本文综合介绍Ti3SiC2的最新研究进展。三元碳化物Ti3SiC2属于层状六方晶体结构，空间群为P63/mmC；它同时具有金属和陶瓷的优良性能，有良好的导电和导热能力，高弹性模量和低维氏显微硬度，在室温下可切削加工，在高温下能产生塑性变形，良好的高温热稳定性和优秀的抗氧化性能；应用CVD、SHS、HP／HIP等方法可制备该化合物，用HIP方法能制备高纯、致密的Ti2SiC2陶瓷；Ti3SiC2陶瓷材料自身有抵抗损伤的机理。     

新型的高性能陶瓷材料Ti3SiC2的研究现状

Ti3SiC2是一种新型的高性能陶瓷材料,既具有金属的优异性能,如在常温下有很好的导热性能、导电性能、良好的抗热震性、易加工性以及高温塑性,又具有陶瓷的优异性能,如高的屈服强度、高熔点、高热稳定性、高温强度以及良好的抗氧化性能和耐腐蚀性能.因此,Ti3SiC2可用作交流电机的电刷材料,航空发动机的涡轮叶片、固定子材料和金属熔炼的电极材料等.主要介绍了Ti3SiC2的晶体结构、制备方法、性能和应用.     

Ti3SiC2陶瓷材料的制备及抗烧蚀行为

以固溶少量Al的Ti3SiC2粉体为原料,采用热压烧结工艺制备出致密度大于99％的Ti3SiC2陶瓷块体材料,其硬度、抗弯强度和断裂韧度分别为775HV,520.46 MPa和7.62 MPa·m1/2.对Ti3SiC2块体在无冷却条件下进行抗氧乙炔焰烧蚀实验,结果表明:烧蚀10 s内Ti3SiC2陶瓷保持表面平整,烧蚀25 s内样品未出现宏观裂纹.SEM和XRD观察分析表明,Ti3SiC2陶瓷在高温乙炔焰和氧气的高热流冲击作用下,表面发生分解和氧化,Si和C被氧化为Si-O化物和C-O化物气体逸出,Ti元素被氧化成高温稳定的TiO2金红石相覆盖在表面;氧化层呈3层结构分布,最外层为结构疏松的TiO2,次表层则为TiO2和Al2TiO5组成的致密复合层,内氧化层为致密Al2O3富集层,Al2O3来源于固溶在原料Ti3SiC2中Al元素的氧化,并在高温下与TiO2反应生成了Al2 TiO5.具有高黏度和高熔点的Al2O3富集层可以有效阻碍O2和热流向基体的扩散,从而降低基体的氧化速率,提高Ti3SiC2材料的抗烧蚀性能.     

陶瓷添加物对Ti_3SiC_2基复合材料抗氧化性的影响

为研究陶瓷添加物对Ti3SiC2基复合材料性能的影响,首先,采用反应热压烧结法制备了Ti3SiC2材料及陶瓷添加物含量均为30wt%的SiC/Ti3SiC2、Al2O3/Ti3SiC2和MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料。然后,测试了材料的力学性能和导电性,在1 373~1 773K温度范围内对Ti3SiC2基复合材料的抗氧化性进行了研究,并对其烧结试样的物相组成和显微结构等进行了表征。结果表明:Ti3SiC2在高温氧化后的主要产物为TiO2和SiO2;氧化层分为内外2层,内层由TiO2与SiO2这2相混合组成,外层为TiO2;氧化层中存在大量显气孔,结构较为疏松,导致抗氧化性较差。与Al2O3/Ti3SiC2和MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料相比,SiC/Ti3SiC2复合材料具有更好的抗氧化性。     

可加工三元层状导电陶瓷Ti3SiC2的研究进展

TbSiC2陶瓷材料具有良好的综合性能,如极好的导电、导热能力,优良的可加工性,高的抗氧化性、耐化学腐蚀性,出色的抗热震性、高温强度和高温塑性,良好的自润滑性等。本文从结构、性能以及制备方法等方面对国内外层状陶瓷Ti3SiC2如的研究进行了综述,并对其应用前景进行展望。     

MoS2/Ti3SiC2层状复合材料的制备

采用热压烧结方法制备MoS2/Ti3SiC2(MoS2质量分数为2%)的层状复合材料.研究了不同烧结温度对烧结试样性能的影响.研究表明,在1 400℃,30 MPa压力和保温2 h条件下,可以得到致密度达99%以上的MoS2/Ti3SiC2复合材料;在Ti3SiC2中添加MoS2后,烧结温度越高维氏硬度越大;在1 400℃,烧结试样维氏硬度达6 220 MPa,高于纯Ti3SiC2材料的4 000 MPa;MoS2有良好的导电性能,使得烧结试样的电导率比较高,在1 400℃,烧结试样电导率达9.68×106 S·m-1,是纯Ti3SiC2材料的2倍.     

热压烧结添加MoS2的Ti3SiC2复合陶瓷及性能

利用热压烧结工艺(Hot-Pressing Sintering HP)制备不同MoS2质量含量的Ti3SiC2复合陶瓷,并研究其性能.研究表明,在烧结温度为1 400℃,30 Mpa压力,保温60 min的条件下,Ti3SiC2复合陶瓷烧结体的相对密度达99%以上.在Ti3SiC2中添加MoS2能大幅提高材料的性能,当MoS2含量为4 w%时,Ti3SiC2复合陶瓷的显微硬度达到7.83 Gpa,同时它的电导率达到10.05×10#S·m-1.在载荷为38 N和转速为400 r/min下,Ti3SiC2复合陶瓷在干摩擦和油润滑两种摩擦条件下的摩擦系数分别为0.176～0.283和0.062～0.134,并且试样的磨损率分别为2.657×10-6 mm3·N-1·m-1和1.968×10-7 mm3·N-1·m-1,比单相Ti3SiC2陶瓷的磨损率(9.9×10-5 mm3·N-1·m-1)小.     

Cu/Ti3SiC2新型受电弓滑板材料的研究

选用具有高导电、高导热性的新型陶瓷Ti3SiC2作为弥散强化相,通过与Cu的混合,采用热压和无压烧结后制备成Cu/Ti3SiC2复合材料.该材料是一种具有优良性能的新型受电弓滑板材料.实验中分析了掺杂含量、保温时间及烧结制度等因素对复合材料基本性能的影响.     

高温等静压后处理液相烧结SiC陶瓷的结构与性能表征

本文研究了高温等静压（HIP）后处理工艺对液相烧结SiC陶瓷的显微结构及力学性能的影响．实验表明,HIP后处理的效果随烧结助剂的不同及液相烧结温度的变化而改变．Ar气氛条件下的HIP后处理可以提高液相烧结SiC的密度,减少或消除内部气孔等结构缺陷,但不引起晶粒的长大．N₂条件下的HIP后处理除了具有Ar－HIP后处理的优点外,由于表面SiC与N₂之间的反应生成的Si₃N₄可以有效地改善表面状态,从而达到表面改性,提高SiC陶瓷的力学性能．结构分析表明,经N₂-HIP后处理,表面氮化层中晶粒细小,结构致密．同时,HIP后处理的效果还受液相烧结SiC陶瓷显微结构的影响,当液相烧结SiC的烧结温度较低,晶粒较细时,经HIP后处理,尤其是N₂-HIP后处理,强度和韧性均有较大幅度的提高．     

放电等离子烧结制备Ti3SiC2材料的研究

本文报道分别以Ti/Si/C,Ti/SiC/C为原料,采用放电等离子烧结工艺制备Ti3SiC2材料的研究结果.以元素单质粉为原料,掺加适量Al作助剂能加速Ti3SiC2的反应合成并提高材料的纯度,在1200～1250℃的温度下能制备出经XRD、SME和EDS表征不含TiC和SiC等杂质相的纯净TiSiC2材料.而以Ti/SiC/C为原料时,有无Al作助剂都难以制备出纯净的Ti3SiC2,其反应合成温度明显高于以元素单质粉为原料的.     

柔性陶瓷三元层状碳化物Ti3SiC2的金属特性

Ti3SiC2兼有金属和陶瓷材料的优异性能，是新一代高性能高温结构材料、电工材料、自润滑轴承的理想侯选对象。重点介绍制备Ti3SiC2的主要方法：气相沉积法、自蔓延高温合成法、热压和热等静压法、放电等离子烧结法，并论述了Ti3SiC2的未来研究方向和潜在的应用前景。     

熔盐辅助合成Dy3Si2C2包裹SiC粉体及其陶瓷的烧结行为

碳化硅陶瓷因自身优良的物理化学性能而具有广泛的应用前景.碳化硅的化学键结合特性决定了其难以烧结成型,因此如何制备高质量碳化硅陶瓷是领域内的难点之一.本研究以三元稀土碳化物Dy3Si2C2作为新型SiC陶瓷的烧结助剂,依据Dy-Si-C体系的高温相转变原位促进碳化硅的烧结致密化.采用放电等离子烧结技术,利用金属Dy与Si...     

Ti3SiC2-64vol%SiC复相陶瓷高温氧化机理研究

采用热等静压原位合成了高致密的Ti₃SiC₂-64vol%SiC复相陶瓷. 通过热重实验研究其在1100~1450℃中空气气氛的高温氧化行为和机理. 研究显示,复相陶瓷的等温动力学曲线遵循抛物线型氧化或抛物线型直线型氧化规律. SiC (64vol%)的引入显著提高了Ti₃SiC₂-SiC材料的抗氧化能力. XRD及SEM-EDS分析显示,氧化膜由外层金红石型TiO₂和非晶态SiO₂组成,过渡层为TiO₂与SiO₂混合物. 高温下（1400℃）,非晶态SiO₂的形成改变了TiO₂膜的生长形态,形成致密TiO₂膜,有效阻碍了氧的扩散. 长时间氧化其抛物线速率常数比在1200℃下氧化低一个数量级. 材料在1400℃下的抗氧化性能明显优于在1200℃下的抗氧化性能.     

原位反应结合碳化硅多孔陶瓷的制备与性能

以碳化硅(SiC)和氧化铝(Al₂O₃)为起始原料、石墨为造孔剂, 通过原位反应结合工艺制备SiC多孔陶瓷. XRD分析表明多孔陶瓷的主相是SiC, 结合相是莫来石与方石英; SEM观察到多孔陶瓷具有相互连通的开孔结构. 坯体在烧结前后具有很小的尺寸变化, 线收缩率约在±1.5%内. 多孔陶瓷的开口孔隙率随烧结温度和成型压力的增大而减小, 随石墨加入量的增加而增大; 而体密度具有相反的变化趋势. 随着石墨粒径的增大, 多孔陶瓷的孔径分布呈现双峰分布. 抗弯强度随烧结温度和成型压力的增大而增大, 随石墨加入量的增大而减小. 于1450℃保温4h烧成的样品在0～800℃的平均热膨胀系数为6.4×10^-6/K. 多孔陶瓷还表现出良好的透气性、抗高温氧化和耐酸腐蚀性, 但耐碱腐蚀性相对较差.     

木材陶瓷化反应机理的研究

研究了木材制备ＳｉＣ陶瓷的反应过程及熔融硅与多孔木炭反应的机理．结果表明,木材制得的ＳｉＣ陶瓷的最终组织取决于渗硅处理温度．较低温度下形成碳化硅多孔材料,较高温度下形成 Ｓｉ／ＳｉＣ复相致密材料．分析指出,木材制备 ＳｉＣ陶瓷中 Ｓｉ／Ｃ反应的大致过程为：熔融硅沿木炭毛细管壁上升,同时与接触的碳反应形成碳化硅,碳化硅层不断向碳层推进直至多孔碳骨架完全转化为碳化硅．生成的碳化硅在反应后期会发生再结晶,最终组织形态表现为多边形大颗粒碳化硅分布在自由硅基体上．     

Temperature Fluctuation Synthesis/Simultaneous Densification and Microstructure Control of Titanium Silicon Carbide (Ti3SiC2) Ceramics

1. IatroductionTitanium Silicon carbide (Ti3SiC2) is a novel ceramic material, which combines the merit of bothmetals and ceramics. It is a good thermal and electrical conductor, not susceptible to thermal shock, andeasy to machine with conventional tools. It is also oxidation resistant at high temperatures, and eXtremelyrefractory. Ti3SiCZ crystallizes in hexagonal structurewith a space group of p.,/mmc['], which is shown inFig.1. The unit cell of Ti3SiCZ consists of alternating layers …     

Low temperature synthesis of Ti3 SiC2 from Ti/SiC/C powders

Abstract

Ternary carbide Ti₃ SiC₂ was first synthesised through a pulse discharge sintering (PDS) technique from mixtures of Ti, SiC, and C with different molar ratios. Sintering processes were conducted at 1200 – 1400°C for 15 – 60 min at a pressure of 50 MPa. The phase constituents and microstructures of the synthesised samples were analysed by X-ray diffraction (XRD) technique and observed by scanning electron microscopy (SEM). The results showed that, for samples sintered from 3Ti/SiC/C powder at 1200 – 1400°C, TiC is always the main phase and only little Ti₃ SiC₂ phase is formed. When the molar ratios Ti : SiC : C were adjusted to 3 : 1.1 : 2 and 5 : 2 : 1, the purity of Ti₃ SiC₂ in the synthesised samples was improved to about 93 wt-%. The optimum sintering temperature for Ti₃ SiC₂ samples was found to be in the range 1250 – 1300°C and all the synthesised samples contain platelike grains. The relative density of Ti₃ SiC₂ samples was measured to be higher than 99% at sintering temperatures above 1300?C. It is suggested that the PDS technique can rapidly synthesise ternary carbide Ti₃ SiC₂ with good densification at lower sintering temperature.     

B4C改性酚醛树脂粘接SiC陶瓷的高温性能

以酚醛树脂为基体,B₄C为改性填料制备出高温粘结剂,并对 SiC陶瓷进行粘接。对粘接样品热处理之后测试各试样的室温剪切强度。结果表明,700 ～800℃ 热处理后,胶层剪切强度超过 20 MPa。利用扫描电镜以及能谱仪研究粘接试样的断面形貌及其结构特征 , 并借助裂解色谱/质谱联用仪研究了酚醛树脂及B₄C改性酚醛树脂 750℃ 裂解的主要挥发分。研究表明,B₄C与CO等挥发分之间的改性反应可以有效地改善粘结胶层高温下的结构致密性、稳定性。反应产物B ₂O ₃高温熔融,具有良好的润湿/粘附性,可在一定程度上愈合、修补树脂热解产生的收缩缺陷;B₂O₃与树脂基体活性部位形成化学键合,提高了树脂基体的高温稳定性和结合强度,从而实现高温下的良好粘接。     

活性钎焊法连接碳化硅陶瓷的连接强度和微观结构

采用三元Ag-Cu-Ti活性焊料连接常压烧结碳化硅陶瓷,研究了反应温度、保温时间等钎焊工艺对碳化硅陶瓷连接强度的影响,分析了连接界面的微观结构和反应产物. 实验结果表明,在实验范围内,钎焊温度和保温时间对碳化硅陶瓷的连接强度均有峰值,四点弯曲强度最高达到342MPa,随着钎焊温度的升高,界面反应层厚度增加,连接强度提高,但过高的钎焊温度引起焊料的挥发而使连接强度下降. 焊料中的活性元素Ti与碳化硅发生反应在连接界面形成均匀致密的反应层,反应层厚度约1μm,XRD和EDX能谱分析结果表明反应产物是TiC和Ti₅Si₃.     

Preparation of Silicon Carbide with High Properties

［1］T.J.Whalen: Ceram. Eng. Sci. Proc., 1986, 7, 1135. ［2］Lingshen WANG: Special Ceramics, Published by Zhongnan Institute of Technology, 1994. 165. (in Chiness) ［3］W.J.Kim and Y.W.Kim: J. Am. Ceram. Soc., 1998,6, 1669. ［4］D.H.Kim and C.H.Kim: J. Am. Ceram. Soc., 1990,5, 1431. ［5］Y.W.Kim, H.Tanaka, M.Mitomo and S.Otani: J. Am. Ceram. Soc. Jpn., 1995, 3, 257.