關(guān)鍵詞： Ti3SiC2 制備 性能 第二相

中圖分類號： TQ175 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）16-0120-04

M_n+1AX_n 是三元層狀化合物，如Ti₃SiC₂、Ti₂A1C、Ti₂SnC、Ti₃A1C₂等，其中最典型的是Ti₃SiC₂[1]。鈦碳化硅集陶瓷和金屬的優(yōu)良特性于一身，具有許多優(yōu)異的特性，如良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、機(jī)械加工性、高強(qiáng)度、高硬度、耐化學(xué)腐蝕性、耐氧化性等，可作為軸承材料、滑電弓類材料、減摩材料等，在機(jī)電、化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，因而得到了研究者的極大關(guān)注。近年來，研究者利用不同合成方法來鈦碳化硅，主要為提高鈦碳化硅合成純度、力學(xué)性能、抗氧化性等。本文就鈦碳化硅材料的晶體結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)、制備方法和應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

1 Ti₃SiC₂的結(jié)構(gòu)

鈦碳化硅的結(jié)構(gòu)模型可知：平面硅原子層將八面體Ti₆C 隔開，形成層狀結(jié)構(gòu)，碳原子位于結(jié)合八面體Ti₆C 的中心，一個晶胞由兩個鈦硅碳分子組成。三元化合物鈦碳化硅是一種六方晶系，C原子位于Ti₆C 八面體的中心，Ti₆C 八面體與Si 層間隔連接呈層狀結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)見圖1，其包含共價鍵、離子鍵和金屬鍵，這種特殊的價鍵賦予Ti₃SiC₂材料[1]。

2 Ti₃SiC₂陶瓷材料制備方法

鈦碳化硅的主要合成技術(shù)方法有微波加熱合成、熱壓燒結(jié)、自蔓延高溫法、化學(xué)氣相沉積法、熱等靜壓法、微波加熱合成及無壓燒結(jié)等，它們各有合成技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)[2]，具體如表1 所示。放電等離子燒結(jié)、熱壓燒結(jié)法、熱等靜壓法等生產(chǎn)不能大規(guī)?；?，成本高；而機(jī)械合金化法、自蔓延高溫法、微波加熱合成、無壓燒結(jié)等操作簡單、成本低廉，但生產(chǎn)中易有雜質(zhì)相，可以用兩種或多種合成方法相結(jié)合制備鈦碳化硅材料。

3 Ti₃SiC₂陶瓷材料的制備與性能研究

不同研究者對鈦硅碳的制備方法、制備工藝及研究結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)與對比，具體見表2。在研究過程中，于明志[3]以鈦、硅、碳粉為原料采用高能球磨Ti₃SiC₂的粉體含量83%，其工藝要求是轉(zhuǎn)速400 r/min，磨球直徑為10 mm，球料比10∶1，球磨時間10 h；放電離子燒結(jié)裝置進(jìn)行熱處理后的Ti₃SiC₂純度為99.1%。

3.1 Ti₃SiC₂的力學(xué)性能

夏田等人[4]通過HP 以Ti/Si/TiC 為原料制備均勻致密的鈦碳化硅陶瓷材料。研究表明：燒結(jié)溫度越高，試樣越致密，力學(xué)性能越高。肖琪聃等人[5]通過RMI 以Ti/TiC/Si 為原料試樣鈦碳化硅的純度為96.1%。研究表明：鈦碳化硅相含量越多，試樣顯氣孔率降低，致密度提高，材料的性能隨之明顯提高。李世波等人[6]采用HP 以TiH₂、SiC 為原料制備鈦碳化硅材料，研究結(jié)果表明：鈦碳化硅材料的壓痕形貌類似于塑性金屬，具有較大強(qiáng)度，壓痕的周圍并沒有明顯的裂紋存在。此外，鈦碳化硅材料通過多種能量吸收機(jī)制來抵抗損傷，除了裂紋偏折、裂紋橋聯(lián)外，顆粒扭曲、顆粒拔出及顆粒層化也是主要的能量耗損機(jī)理。RMI 材料具有較低的維氏硬度，它的壓痕形貌和塑性金屬的類似；在最大的壓力條件下，壓痕的周圍并沒有明顯的裂紋存在。薛茂權(quán)等人[7]采用無壓燒結(jié)制備鈦碳化硅陶瓷材料，以TiC 或SiC 為原料體系的不適合采用無壓燒結(jié)法制備；經(jīng)合成粉末置于40% 氟化氫中，熱反應(yīng)得到產(chǎn)物SiC、AlF₃立方體。

3.2 Ti₃SiC₂的抗熱震性

研究表明鈦碳化硅材料有良好的抗熱震性，這主要取決于材料的高熱導(dǎo)率、高斷裂韌性和低熱膨脹率，此外，在高溫時層狀鈦碳化硅材料的塑性變形能夠有效地緩解其結(jié)構(gòu)中的熱應(yīng)力。

于鈦碳化硅材料而言，粗大晶粒與細(xì)小晶粒的試樣相比，有更加良好的抗熱震性，分析原因如下：首先，材料的泊松比和彈性模量不受影響，粗大晶粒同細(xì)小晶粒相比，強(qiáng)度降低；其次，粗大晶粒能夠降低材料熱應(yīng)力，這是由于它易出現(xiàn)晶粒彎曲、晶界滑移的情況；最后，通過試樣斷口形貌的顯微分析說明，試樣沿晶斷裂的區(qū)域范圍隨著晶粒尺寸的增大而增大。

3.3 Ti₃SiC₂的電學(xué)性能

由于鈦碳化硅材料其室溫電導(dǎo)率為4.5×10⁶ S/m，均比Ti（2.3×10⁶ S/m）、TiC（1.6×10⁶ S/m）高，像金屬一樣，其電阻率隨著溫度的降低而呈減小趨勢。其熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而稍微呈線性降低。實(shí)驗(yàn)中，研究室溫下Ti₃SiC₂材料的電導(dǎo)率為4.3×10⁶ S/m，熱導(dǎo)率為33.9 W/（m·K）。

3.4 Ti₃SiC₂的摩擦性能

姜樹祥等人[8]通過MA 和SPS 以Ti/Si/C 粉為原料，采用制備鈦碳化硅材料。研究表明：鈦硅碳材料的硬度隨著燒結(jié)溫度升高而增加，當(dāng)燒結(jié)溫度1 300 ℃，鈦硅碳材料的硬度約為6.7 GPa。鈦碳化硅具有層狀結(jié)構(gòu)，因此它的磨損性能不同于其他材料。但是由于磨損行為不是材料的固有性質(zhì)，會隨著實(shí)驗(yàn)條件的變化而不同，所以在研究材料的磨損性能時，必須提及詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)條件。

梁寶巖等人[9]用SHS 制備了鈦碳化硅材料，實(shí)驗(yàn)證明原料中石墨的粒度對鈦碳化硅的反應(yīng)機(jī)制有重大影響，不同粒度的石墨決定了不同的碳化鈦形成機(jī)制，從而影響鈦碳化硅轉(zhuǎn)變率。用SHS 合成鈦碳化硅材料的反應(yīng)時間短、過程難控制，產(chǎn)物中有明顯的雜質(zhì)相，因此還需要進(jìn)一步完善。

3.5 Ti₃SiC₂的其他性能

SiO₂薄膜（SiO₂保護(hù)性優(yōu)于TiO₂）對鈦碳化硅材料氧化性起到抑制作用，這也證明了高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料鈦碳化硅具有較好的抗氧化性。不同合成方法、原材料配方、原料晶粒等都決定鈦碳化硅材料的氧化行為。鈦碳化硅的塑性變形與層狀晶體結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系，因此可以像高速刀具進(jìn)行磨削加工，制作各種不同幾何形狀的精細(xì)零件。

4 第二相對Ti3SiC2陶瓷材料的性能研究

張艷麗等人[10]將Ti、Si、C 和Al 粉混合配料，采用SHS合成Al/Ti₃SiC₂復(fù)合材料，0.3 mol Al的摻入促進(jìn)鈦-硅液相形成，Ti₃SiC₂相含量為92.5%，晶體寬約2 μm，長約20～30 μm，試樣的抗氧化性能、摩擦性等也得到了提升。肖琪聃等人[5]將Ti、Si、C、TiC 粉混合配料，采用無壓熔滲反應(yīng)燒結(jié)的試樣彎曲強(qiáng)度501 MPa，HV 為5.37 GPa。嚴(yán)漢兵等人[11]采用SHS 將Ti、Si、C 和Al 粉混合配料，燒結(jié)溫度1 550 ℃，滲透時間30 min，Ti3SiC2相含量為93.6%；抗壓強(qiáng)度與斷裂韌性分別為996 MPa、7.84 MPa·m^1/2；研究鈦碳化硅合成機(jī)理：首先鈦、硅、碳溶解于鈦-硅液相張，碳化鈦、碳化硅相繼析出，最終形成鈦碳化硅。

Ti₃SiC₂陶瓷材料中加入不同增強(qiáng)相可提高鈦硅碳力學(xué)性能及硬度，Ti₃SiC₂主要力學(xué)性能具體見表3[11-15]。

5 結(jié)語

目前，制備鈦碳化硅材料的方法研究較多，但其存在一些局限性，均有雜質(zhì)相無法制備高純度試樣，而目前實(shí)現(xiàn)鈦碳化硅材料的工業(yè)化生產(chǎn)才是研究的主要方向。這使很多研究者提出了引入第二相提高鈦碳化硅材料的力學(xué)性能、抗氧化性及耐磨性等，還有很多研究需要探討，如鈦碳化硅材料導(dǎo)熱導(dǎo)電性能與鈦硅碳材料微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系、復(fù)合材料韌性與研究機(jī)理的關(guān)系等，需要更廣泛、更深入地進(jìn)行研究。陶瓷材料主要研究方向分為塊體，涂層、薄膜、粉體，現(xiàn)在研究者將研究多孔鈦碳化硅的力學(xué)性能、抗氧化性及孔結(jié)構(gòu)的抗氧化機(jī)制。因此，如何用一種簡單、快捷的工藝去制備出高純度、高致密的鈦碳化硅材料將成為日后的研究趨勢。