纳米层状/颗粒Tin+1AlCn/Al2O3复合材料的原位反应合成及机理研究

在本项目中，利用Ti、TiC、Al、TiO2为原料，通过原位热压工艺成功合成了Ti2AlC/Al2O3和Ti3AlC2/Al2O3复合材料，详细研究了该类材料的反应合成过程，并对TiC相对含量对材料结构和性能的影响进行了研究。同时，Al2O3含量对材料结构和力学性能的影响进行了详细研究。最后，Al2O3含量对材料抗氧化性能和摩擦磨损性能的影响也进行了详细研究。. 研究结果表明：随着合成温度的提高，Ti和Al首先发生反应，生产Ti-Al中间化合物，并逐渐转化为TiAl平衡相。接着，Al和TiO2发生铝热还原反应，生成Al2O3和TiAl，最后，当温度升高到1350℃时，根据组成不同，TiAl和TiC反应生成Ti2AlC 或者Ti3AlC2基体相。由于Al的高温挥发，起始原料中，TiC降低到其理论含量的90%时，所制备的复合材料纯度最高。. 原位反应合成的第二相Al2O3均匀的分布在基体相晶界上，对基体相的颗粒有很大的细化作用，从而有力的促进了该材料的硬度及强度，但断裂韧性成峰值变化。当Al2O3含量为12 wt%时，Ti2AlC/Al2O3 复合材料的断裂韧性提高了19.3%。当Al2O3含量为9 wt%时，Ti3AlC2/Al2O3 复合材料的锻炼韧性达到了8.21 MPa m1/2。1100–1300℃间Ti2AlC/ Al2O3 复合材料的循环氧化实验表明，当温度为1200℃时，该材料具有很好的抗氧化性能。当温度为1100℃和1200℃时，该材料氧化遵循抛物线规律，氧化常数 (kp) 分别为1.715×10-8 和 7.597×10-8。然而，当温度为 1300 ℃时，氧化层主要分为内层α-Al2O3 和外层Al2TiO5 及TiO2，因此，抗氧化性能开始下降。同样，Al2O3的生成，大幅度的提高了Ti2AlC 材料的摩擦、磨损性能，当Al2O3含量从0 提高到 15 wt%时，其磨损率从2.8×10-5 mm3/Nm 降低到了 1.38×10-5 mm3/Nm。. 本项目部分成果已获授权发明专利5项，发表学术论文3篇，获陕西省科学技术奖二等1项。