劉 洋，張浩東，原遂嚴(yán)，李雨莉，鄒鑫鵬

（西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038）

碳化鈦硅材料兼具金屬和陶瓷的優(yōu)良性能，如自潤(rùn)滑性、較好的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域；高速列車受電弓滑板材料利用了碳化鈦硅陶瓷材料的耐腐蝕性和導(dǎo)電性能；軸承材料利用了碳化鈦硅陶瓷材料的高溫抗氧化性和自潤(rùn)滑性；高溫發(fā)動(dòng)機(jī)材料利用了碳化鈦硅陶瓷材料較好的抗熱震性、高熔點(diǎn)和高溫抗氧化性。因此，不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于碳化鈦硅陶瓷材料的開發(fā)和研究，目的是提高材料的綜合性能。

鎂鋁尖晶石是一種高熔點(diǎn)（2 135 ℃）、高硬度、高強(qiáng)度、耐各種介質(zhì)腐蝕的高溫穩(wěn)定性材料，被廣泛用于高溫工業(yè)。由于其熱膨脹系數(shù)與碳化鈦硅相近，本項(xiàng)目引入第二相鎂鋁尖晶石增強(qiáng)陶瓷材料，試圖提高碳化鈦硅陶瓷材料的力學(xué)性能，促使其在耐火材料中發(fā)揮重要作用。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 試樣制備

原材料：鈦粉、硅粉、炭黑、鎂鋁尖晶石粉。其中，鈦粉、硅粉、炭黑的質(zhì)量比為3.0∶1.2∶2.0，引入鎂鋁尖晶石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%。按照原料配比進(jìn)行稱量，以工業(yè)酒精為溶劑，裝入球磨罐進(jìn)行均勻球磨、攪拌、烘干，稱取適量樣品壓實(shí)于模具中，并放在熱壓燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)溫度為1 500 ℃，熱壓壓力為25 MPa，升溫速率為10 ℃/min，保溫時(shí)間為1 h，氣氛條件為真空，隨爐自然冷卻。采用熱壓燒結(jié)制備直徑44 mm、厚度12 mm的試樣。采用機(jī)械磨床對(duì)試樣進(jìn)行打磨、切割以及砂紙細(xì)磨等，要求試樣尺寸為 40 mm×40 mm×160 mm。

1.2 測(cè)定試樣的密度和顯氣孔率

用阿基米德排水法測(cè)得碳化鈦硅純樣與引入10.0%鎂鋁尖晶石的碳化鈦硅陶瓷材料的密度和顯氣孔率，純樣碳化鈦硅陶瓷材料的密度為4.58 g/cm3，引入10.0%鎂鋁尖晶石的碳化鈦硅密度為4.46 g/cm3，兩種試樣的顯氣孔率基本一致（0.4%）。Ti3SiC2材料的體積密度和顯氣孔率如表1所示。

表1 Ti3SiC2材料的密度和顯氣孔率

引入10.0%鎂鋁尖晶石試樣的密度略有降低，這是由于鎂鋁尖晶石的理論密度為3.58 g/cm3，低于碳化鈦硅陶瓷材料的理論密度為4.53 g/cm3。高純碳化鈦硅試樣的密度高于理論密度是由于存在雜質(zhì)相碳化硅，碳化硅的理論密度為4.93 g/cm3。隨著鎂鋁尖晶石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，樣品的顯氣孔率沒有明顯的變化。

根據(jù)衍射分析，引入鎂鋁尖晶石的碳化鈦硅陶瓷材料的主晶相為碳化鈦硅，存在少量碳化硅相。通過掃描電鏡觀察試樣表面形貌（見圖1）可知，黑色區(qū)域?yàn)轭w粒狀的鎂鋁尖晶石相，從純的碳化鈦硅陶瓷材料中沒有清楚地觀察到第二相碳化硅，這是由于材料中絕大部分為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鎂鋁尖晶石復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)組織形貌相似，鎂鋁尖晶石在燒結(jié)過程中沒有長(zhǎng)大，基本保持原來的形貌特征。氣孔不規(guī)則。試樣中還分布著極少的孔洞，孔洞的邊緣有些發(fā)亮，為試樣的閉氣孔。由圖1可以看出，引入鎂鋁尖晶石的碳化鈦硅陶瓷材料與純的碳化鈦硅陶瓷材料相比，閉氣孔有所減少，但總體上鎂鋁尖晶石質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)碳化鈦硅陶瓷材料閉氣孔數(shù)量的影響不大[1]。

圖1 引入10.0%鎂鋁尖晶石的碳化鈦硅陶瓷材料的表面形貌

通過對(duì)熱壓制備的10.0%鎂鋁尖晶石-碳化鈦硅陶瓷材料顯氣孔率的測(cè)定和對(duì)其顯微結(jié)構(gòu)的觀察得到：添加10.0%鎂鋁尖晶石使碳化鈦硅陶瓷材料較碳化鈦硅純樣更加致密。在本實(shí)驗(yàn)中，鎂鋁尖晶石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)10.0%鎂鋁尖晶石-碳化鈦硅陶瓷材料致密度的影響不明顯。研究表明，當(dāng)鎂鋁尖晶石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30.0%時(shí)，陶瓷材料在整體上相分布依然比較均勻，沒有出現(xiàn)明顯的偏聚現(xiàn)象，說明在鎂鋁尖晶石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過30.0%時(shí)，沒有因鎂鋁尖晶石質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高產(chǎn)生嚴(yán)重偏聚現(xiàn)象而影響材料的致密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以說明，通過熱壓反應(yīng)燒結(jié)，可以制備出高致密度的MgAl2O4碳化鈦硅陶瓷材料。

1.3 測(cè)定試樣的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性

鎂鋁尖晶石質(zhì)量分?jǐn)?shù)和試樣彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，鎂鋁尖晶石的引入可以提高試樣的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性，當(dāng)引入10.0%鎂鋁尖晶石時(shí)，碳化鈦硅陶瓷材料的彎曲強(qiáng)度為506.2 MPa，比純樣的彎曲強(qiáng)度高16.4%；同時(shí)，陶瓷材料的斷裂韌性達(dá)到4.98 MPa·m1/2，比純樣的斷裂韌性高24.3%?？梢姡砑拥诙噫V鋁尖晶石可以有效提高碳化鈦硅陶瓷材料的力學(xué)性能，表明鎂鋁尖晶石顆粒在碳化鈦硅陶瓷材料基體中起到增強(qiáng)作用，在分散裂紋擴(kuò)展機(jī)制作用下，陶瓷材料的力學(xué)性能有所提高。當(dāng)鎂鋁尖晶石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%時(shí)，陶瓷材料的力學(xué)性能均比純的碳化鈦硅高很多，這是因?yàn)殒V鋁尖晶石可以起到增韌補(bǔ)強(qiáng)的效果，但在添加鎂鋁尖晶石的同時(shí)，也會(huì)減小自由變形的基體區(qū)域尺寸，鎂鋁尖晶石約束基體的塑性，使得試樣的斷裂韌性降低[2]。

圖2 鎂鋁尖晶石質(zhì)量分?jǐn)?shù)和試樣彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性的關(guān)系

研究表明，第二相鎂鋁尖晶石對(duì)陶瓷材料增韌效果的影響比較復(fù)雜，為了改善碳化鈦硅材料的力學(xué)性能，鎂鋁尖晶石引入質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過30%。第二相顆粒尺寸對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性的影響也比較復(fù)雜。在本研究中，鎂鋁尖晶石的引入使碳化鈦硅陶瓷材料的力學(xué)性能得到了提高。

2 結(jié)語(yǔ)

鎂鋁尖晶石的引入使碳化鈦硅陶瓷材料的致密度高于碳化鈦硅純樣。碳化鈦硅陶瓷材料的主晶相為碳化鈦硅相，次晶相為碳化鈦。引入鎂鋁尖晶石的陶瓷材料主要由碳化鈦硅、鎂鋁尖晶石相和少量的碳化鈦相組成，鎂鋁尖晶石和碳化鈦硅兩相在制備條件下具有很好的化學(xué)相容性。