MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料的制备、结构及其性能研究

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本文以Ti粉、Si粉、炭黑和MgAl2O4为原料,采用反应热压烧结法制备了MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料,研究了MgAl2O4含量及粒度对MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料致密化程度、相组成、显微结构、力学性能及抗氧化性能的影响。得到如下结论:(1)MgAl2O4的引入使MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料的致密度高于纯Ti3SiC2材料。MgAl2O4的含量对复合材料致密度的影响不大,而MgAl2O4的粒度对其致密度有较大的影响,粒度越小,其致密度越高,因此可以通过控制MgAl2O4的粒度得到高致密度的MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料。(2)Ti3SiC2陶瓷的主晶相为Ti3SiC2,次晶相为TiC,MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料主要由Ti3SiC2、MgAl2O4相和少量的TiC相组成,MgAl2O4和Ti3SiC2两相之间在制备条件下具有很好的化学相容性。(3)MgAl2O4的含量和粒度对Ti3SiC2晶粒的长大都有显著的影响,并且MgAl2O4的引入可以增加一些颗粒增韧的能量吸收机制,如裂纹在第二相沿晶界偏转,裂纹在颗粒处钉扎或穿过颗粒等,为此可以通过控制MgAl2O4的含量和粒度,控制Ti3SiC2晶粒的大小和裂纹的扩展,从而实现对MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料的显微结构控制。(4)MgAl2O4的引入可以提高MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料的力学性能,但引入量不宜过高。在本研究中MgAl2O4颗粒的减小,提高了MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料的力学性能,但由于第二相颗粒尺寸对复合材料强度和断裂韧性的影响是比较复杂的,因此MgAl2O4颗粒并不是越小越好。(5)Ti3SiC2陶瓷和MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料在1100℃~1400℃的氧化动力学曲线基本遵循抛物线规律。Ti3SiC2陶瓷的反应活化能为371.1KJ·mol-1,MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料的反应活化能为266.2KJ·mol-1,因此MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料更容易被氧化。(6)MgAl2O4/Ti3SiC2的氧化膜由外层金红石型TiO2和固溶体Mg0.3Al1.4Ti1.3O5的混合物,中间层较纯的TiO2以及内层SiO2、TiO2和少量MgAl2O4的混合物组成。由于固溶体Mg0.3Al1.4Ti1.3O5的生成严重影响了TiO2的生长形态,形成了不连续的TiO2和Mg0.3Al1.4Ti1.3O5混合物组成的氧化膜,不能有效阻碍氧的扩散,因此在本实验的制备条件下MgAl2O4的引入不能提高Ti3SiC2材料的抗氧化性。
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