Ti3AlC2基复合陶瓷的快速烧结及性能研究

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1、分类号：TB383密级：公开UDC：620编号：201421801019河北工业大学硕士学位论文Ti3AlC2基复合陶瓷的快速烧结及性能研究论文作者：白英豪学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：材料物理与化学指导教师：徐学文职称：副教授资助基金项目：河北省自然科学基金(No.E2014202155)DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyForTheMasterDegreeofMaterialsPhysicsandChemistryINVESTIGATIONONTHERAP

2、IDSINTERINGANDPERFORMANCEOFTi3AlC2-BASEDCERAMICCOMPOSITESbyBaiYinghaoSupervisor:Dr.XuXuewenMarch2017ThisworksupportedbyNaturalFoundationofHebeiProvince(No.E2014202155).摘要Ti3AlC2是一种三元层状陶瓷材料，这种材料兼有金属和陶瓷的性质，包括良好的导热导电性，较低的硬度，优良的抗氧化性，良好的耐热冲击性能，类似于金属的可加工性，以及与石墨相近的自润滑性等。因此，该材料

3、被认为是一种高温结构材料，并得到了广泛的研究重视。本论文主要采用自蔓延烧结的方法制备了单相的Ti3AlC2粉末，并以Ti3AlC2为基体或烧结助剂，通过放电等离子烧结(SparkPlasmaSintering,SPS)技术制备ZrB2/Ti3AlC2，Ti3AlC2/BN，Ti3AlC2/Si3N4三种复合陶瓷。详细研究了这三种复合陶瓷的烧结过程、物相组成、微观结构和力学性质，并采用第一性原理计算方法讨论了部分以Ti3AlC2为基体的固溶体化合物的几何结构、电子结构和弹性性质。与典型的高温结构陶瓷相比，Ti3AlC2的强度较低，不能完

4、全满足高温结构应用需要。本论文以自蔓延烧结方法得到高纯的Ti3AlC2粉末为基体，以ZrB2颗粒为增强相，通过SPS工艺制备了ZrB2/Ti3AlC2复合陶瓷。在复合陶瓷的烧结过程中，部分Ti3AlC2基体发生分解，并与ZrB2增强体发生反应，生成TiC、ZrC、AlB2和ZrB等弥散分布的硬质颗粒。制备的ZrB2/Ti3AlC2复合陶瓷的硬度、弯曲强度和断裂韧性均得到了大幅度提高。本论文还研究了ZrB2/Ti3AlC2陶瓷试样在900~1100℃下空气中的氧化4~16h的行为。Ti3AlC2陶瓷具有良好的高温抗氧化能力，但ZrB2的

5、引入会降低复合材料的高温抗氧化能力。本论文还以Ti3AlC2为烧结助剂，研究了难致密化陶瓷hBN和Si3N4的SPS烧结过程。引入的Ti3AlC2烧结助剂可以使hBN在1250~1500℃实现致密化。随着原始粉末中Ti3AlC2含量升高，复合陶瓷的弯曲强度得到极大提高，其中50wt.%Ti3AlC2/BN复合陶瓷的弯曲强度达到135MPa。在高Ti3AlC2含量的复合陶瓷中还可以观察到片层状BN的取向织构形貌。以Ti3AlC2为烧结助剂并未得到致密的Si3N4陶瓷。在实验研究基础上，运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了以T

6、i2AlC、Ti3AlC2和Ti4AlC3为基体的22种Zr和B置换的有序固溶体的晶体结构、热力学稳定性、弹性性质与电子结构。研究表明，所有设计的置换固溶体都是热力学稳定的。引入的Zr和B置换元素并未起到固溶强化作用，与基体相比，固溶体的体积弹性模量、剪切弹性模量和硬度均降低。关键词：三元层状碳化物Ti3AlC2复合陶瓷放电等离子烧结力学性能IABSTRACTAsaternarylayeredceramic,Ti3AlC2exhibitsuniquecombinationpropertiesofbothmetalandceramic,

7、includingthegoodthermalconductivity,lowhardness,excellentoxidationresistanceandthermalshockperformance,goodmachinabilityandself-lubricantpropertyetc.Usually,Ti3AlC2andrelatedMAXcompoundswereassumedashigh-temperature-structuralceramics(HTSCs).Inthisthesis,thepureTi3AlC2p

8、owderswerefabricatedwithaself-propagatingreactionroute.AndtheTi3AlC2-containedceramiccomposites,includingZrB2/