自蔓延高温合成Ti3SiC2陶瓷及形成机理研究

论文摘要

三元层状导电可加工陶瓷Ti3SiC2具有金属和陶瓷的诸多优良性能。比如具有很好的导热性能和导电性能、高断裂韧性、高弹性模量、高熔点、高屈服强度、高热稳定性和良好的抗氧化性能。尤为引人注目的是,不同于传统陶瓷,它可以象金属一样,采用高速钢刀具进行机械加工,而且具有比二硫化钼和石墨更低的超低摩擦系数。这些优异性能使Ti3SiC2具有广阔的应用前景,成为新材料研究中的重要对象。到目前为止,各国研究者采用多种方法如化学气相沉积法、自蔓延高温反应合成、热压、热等静压和放电等离子烧结和热处理以制备Ti3SiC2。虽然采用化学气相沉积法、高温烧结或热处理技术可以制备高纯的Ti3SiC2材料,但合成成本偏高,不利于Ti3SiC2的批量化生产及应用。自蔓延高温烧结（SHS）技术是一种成本低廉,工艺简单,操作方便的新型合成技术,特别利于Ti3SiC2材料的批量化生产。但是到目前为止,对于Ti3SiC2的自蔓延反应动力学与热力学的研究还缺乏深入分析与研究,很多实验现象与结果还难以解释,需要揭示SHS反应合成Ti3SiC2的机制。本课题以3Ti-Si-2C体系为研究对象,采用自蔓延高温合成的方法制备了Ti3SiC2材料,对3Ti-Si-2C体系SHS合成Ti3SiC2的反应热力学与动力学进行了研究,以实现SHS反应可控,合成高含量的Ti3SiC2材料。通过XRD物相分析和半定量分析,结合SEM形貌观察,研究了点燃方式、原料配比、原料粒度、原料种类、助剂和坯体致密度对SHS合成Ti3SiC2的转变率的影响规律。结果表明:不同点燃方式可得到明显不同的SHS产物。等离子体和激光点燃得到的SHS产物组成和含量基本相同,均有Ti3SiC2、Ti5Si3和TiC三相,产物中Ti3SiC2含量均为23%。机械合金化点燃SHS可得到两种产物-粉体与颗粒产物。这两种产物均由TiC、Ti3SiC2、TiSi2与Ti5Si3四相组成,颗粒产物中Ti3SiC2含量明显高于粉体的。改变Ti和Si粉体粒度对促进Ti3SiC2的合成影响不大,甚至有抑制作用。较细粒度的石墨对Ti3SiC2的反应合成有显著的促进作用。原料种类对反应合成Ti3SiC2有重要影响,采用另外两种原料-Ti/Si/2TiC和3Ti/SiC/C,得到的SHS产物中Ti3SiC2含量要明显高于3Ti-Si-2C的。助剂对反应合成3Ti-Si-2C有重要的影响,添TiC、SiC、Sn等助剂可一定程度上促进Ti3SiC2的合成,而Al、AlN和Al2O3的促进作用比较明显。原料配比和坯体致密度对促进Ti3SiC2合成的影响较小。采用热力学定律,对3Ti-Si-2C三元体系不同温度下物质的标准摩尔生成吉布斯自由能和反应绝热温度进行了计算。计算结果表明,该体系中化合物的稳定性由强到弱为Ti5Si3、Ti3SiC2、β-SiC、TiC、TiSi、TiSi2、α-SiC;SHS合成Ti3SiC2的反应绝热温度为2623℃。提出一种新型研究SHS动力学的淬熄方法-放电等离子烧结（SPS）淬熄技术,对3Ti-Si-2C（两种石墨粒度）体系、3Ti-SiC-C和Ti-Si-2TiC体系采用SPS淬熄技术进行了系统研究。结果表明,细粒度石墨可显著促进Ti3SiC2的合成,当直接采用TiC为原料,即采用Ti-Si-2TiC体系时,合成的产物Ti3SiC2转变率明显提高。相比传统的燃烧波淬熄技术,该方法容易区分开淬熄后不同温度的产物,并进行随后的金相样品制备及扫描电镜观察。结合以上传统的燃烧波淬熄法和SPS淬熄技术,考察了3Ti-Si-2C三元体系压坯SHS反应动力学行为和组织演变,明确了Ti3SiC2的反应形成机制。结果表明,Ti3SiC2的反应机制为溶解-反应-析出机制,即反应发生时会放出大量的热,温度较高,使Ti-Si熔化,形成Ti-Si液相,石墨溶解到Ti-Si液相中,然后析出TiC,TiC再重新溶解到Ti-Si液相中,最后Ti3SiC2析出。原料中石墨的粒度对Ti3SiC2的反应机制有重大影响,不同粒度的石墨决定不同的TiC形成机制,从而影响着Ti3SiC2的转变率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 自蔓延高温合成技术概述
• 1.1.1 SHS 技术的概念、特点
• 1.1.2 SHS 的发展概况
• 1.1.3 SHS 技术的种类
• 1.1.4 SHS 的基础理论研究
• 1.1.5 SHS 动力学研究方法
• 1.1.6 SHS 技术存在的问题
• 3SiC₂材料的研究进展'>1.2.Ti₃SiC₂材料的研究进展
• 3SiC₂ 的结构'>1.2.1 Ti₃SiC₂的结构
• 3SiC₂ 制备研究现状'>1.2.2 高纯Ti₃SiC₂制备研究现状
• 3SiC₂ 的性能'>1.2.3 Ti₃SiC₂的性能
• 3SiC₂ 复合材料的研究现状'>1.2.4 Ti₃SiC₂复合材料的研究现状
• 3SiC₂ 材料的应用前景'>1.2.5 Ti₃SiC₂材料的应用前景
• 1.3 选题意义及研究内容
• 第2章 实验过程及方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 研究方法及技术路线
• 2.3 测试设备
• 2.3.1 形貌观察
• 2.3.2 相的成分分析
• 2.3.3 差热分析设备
• 2.4 SHS 实验设备
• 2.5 淬熄实验
• 第3章 Ti-Si-C 体系的反应热力学研究
• 3.1 前言
• 3.2 Ti-Si-C 体系反应标准摩尔生成吉布斯自由能的计算
• 3.3 Ti-Si-C 三元体系物质的燃烧绝热温度研究
• 3.4 本章小结
• 3SiC₂'>第4章 等离子体点燃SHS 合成Ti₃SiC₂
• 4.1 前言
• 3SiC₂'>4.2 等离子体点燃SHS 合成Ti₃SiC₂
• 4.2.1 燃烧现象
• 4.2.2 3Ti/Si/2C 试样燃烧后产物的物相组成及显微组织
• 3SiC₂ 的影响'>4.2.3 原料配比对反应合成Ti₃SiC₂的影响
• 3SiC₂ 的影响'>4.2.4 原料粒度对反应合成Ti₃SiC₂的影响
• 3SiC₂ 的影响'>4.2.5 原料种类对反应合成Ti₃SiC₂的影响
• 3SiC₂ 的影响'>4.2.6 助剂对反应合成Ti₃SiC₂的影响
• 4.2.7 致密度的影响
• 4.2.8 燃烧产物的物相组成与热力学计算结果的比较
• 4.3 本章小结
• 3SiC₂'>第5章 激光点燃SHS 合成Ti₃SiC₂
• 5.1 前言
• 5.2 3Ti-Si-2C 压坯的燃烧反应研究
• 5.2.1 燃烧现象
• 5.2.2 产物的相组成及显微组织
• 3SiC₂ 的影响'>5.2.3 Si 含量对反应合成Ti₃SiC₂的影响
• 3SiC₂ 的影响'>5.2.4 Al 含量对反应合成Ti₃SiC₂的影响
• 5.2.5 激光工艺的影响
• 5.3 本章小结
• 3SiC₂'>第6章 机械诱发自蔓延合成Ti₃SiC₂
• 6.1 前言
• 3SiC₂'>6.2 机械合金化点燃SHS 合成Ti₃SiC₂
• 6.2.1 原料粉体的机械合金化过程
• 3SiC₂ 的影响'>6.2.2 Si 含量对机械合金化合成Ti₃SiC₂的影响
• 3SiC₂ 的影响'>6.2.3 助剂对机械合金化合成Ti₃SiC₂的影响
• 3SiC₂ 含量的影响'>6.2.4 球磨工艺对机械合金化反应合成Ti₃SiC₂含量的影响
• 6.2.5 稀释剂的影响
• 3SiC₂'>6.2.6 机械活化粉体在空气中燃烧合成Ti₃SiC₂
• 6.3 小结
• 3SiC₂的反应动力学机理分析'>第7章 SHS 合成Ti₃SiC₂的反应动力学机理分析
• 7.1 前言
• 7.2 结果和讨论
• 7.2.1 Ti-Si-C 三元体系中二元相的自蔓延烧结研究
• 7.2.2 采用DSC 手段研究3Ti-Si-2C 体系反应路径研究
• 7.2.3 燃烧波淬熄实验
• 7.2.4 金属铜柱冷却淬熄实验
• 7.2.5 采用放电等离子烧结技术研究3Ti-Si-2C 体系反应路径研究
• 7.2.6 燃烧波淬熄实验与SPS 淬熄结果的比较与分析
• 7.2.7 球磨罐淬熄实验
• 7.2.8 3Ti-Si-2C 体系燃烧行为的研究
• 7.2.9 3Ti-Si-2C 体系的反应机制
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士期间承担的科研任务及主要成果
• 致谢
• 作者简介