Ti3SiC2高温力学性能的研究

Ti3SiC2同时显示金属和陶瓷独特组合的性质。然而，它的刚度和强度在1050℃以上迅速降低，这是这种材料的高温应用的主要障碍。为了提高Ti3SiC2的高温力学性能，锆，铪，或Nb被掺杂进Ti3(SiAl)C2。在室温时，锆，铪，或Nb掺杂的Ti3SiC2陶瓷与Ti3SiC2陶瓷具有相当的刚度，硬度，强度，和断裂韧性。然而，在高温下(Ti1-xTx)3(SiAl)C2(T=Zr, Hf, or Nb)的刚性和强度显著改善。(Ti1-xTx)3(SiAl)C2可以保持高温刚度和强度达到1200℃，比Ti3SiC2的1050℃高了150℃。

I. Introduction

Ti3SiC2是吸引人的层状三元陶瓷Mn+1AXn的一员，其中M是过渡金属，A为IIIA或IVA族元素，X为C或N.其晶体结构可以被描述为通过硅层交错和Ti-C的层和Si层是相对较弱的Ti-C的层之间的结合。由于其独特的晶体结构，Ti3SiC2具有低密度，高弹性模量，耐损伤性在室温下，良好的机械加工性，并能抵抗热冲击和高温氧化。然而，低硬度（维氏硬度约4Gpa），低的耐磨性，和高于1000℃差的高温力学性能限制了它的广泛应用.为了提高机械性能，硬质陶瓷粒子，例如TiC，SiC和氧化铝分别加入钛碳化硅。与单片钛碳化硅相比，这些颗粒增强钛碳化硅基复合材料表现出更高的弹性模量和维氏硬度，以及在室温下提高耐磨损性。然而，这些颗粒增强钛碳化硅复合材料也显示出在1000℃以上强度不满意的机械性能。例如，钛碳化硅-SiC复合材料的强度和刚度高于1000℃迅速下降。

近日，大宗三元铝碳化物在系统中成功地合成和表征。它们的晶体结构可以被描述为通过Al3C2或（铝硅）4C3层交错的Zr-C层。由于过渡金属的碳化物和铝（硅）的碳化物非常保守强共价键合，这些锆的Al（Si）的-C陶瓷在室温下显示出相当高的硬度和刚度。硬度为大约ZrC的一半，但三至四倍该钛碳化硅的，并且弹性刚度为约80％-90％的ZrC那的。最重要的是，Zr-Al系（Si）的-C陶瓷的杨氏模量随温度缓慢降低，并且1600℃弹性刚度保持约80％在室温下的这一点。高度的刚度即保持在升高的温度下赋予它们作为极有希望的候选者用于在高温和超高温环境下的应用。另外，该含铌MAX相如Nb2AlC和Nb4AlC3，陶瓷也显示出了优异的高温机械性能。一般来说，高温刚性的劣化，强度以及蠕变多晶陶瓷的电阻可以由几个原因，包括晶界滑移，晶界的软化，并且位错运动引起的。我们以前的工作已经表明，有在最大相，锆 - 铝（Si）的-C和Hf-的Al-C的陶瓷的晶粒边界无非晶相。这些结果已给出一个提示，大尺寸的过渡金属如锆，铪，铌和可在这些碳化物陶瓷的高温力学性能方面发挥关键作用。以前的工作已经证明，掺杂Y，La和Zr的Al2O3增加了Al2O3抗蠕变性通过在晶界处形成强的化学结合的。如含锆，铪，铌的陶瓷具有优异的高温机械性能，预计钛碳化硅与锆，铪，和铌掺杂将增强钛碳化硅的高温机械性能。批准这一假设，在本工作中，我们制备ZR-，HF-Nb-掺杂，并通过原位热压/固 - 液反应法，并在室温和高温下测得的机械性能。正如我们将展示在后面的章节中，该ZR-，HF-，以及Nb掺杂TI3（的SiAl）C2的室温机械性能接近TI3（的SiAl）C 2，而高温机械性能大大提高，其中突出了新的途径，在高温下，以改善最大相的机械性能。

I I . Experimental Procedure

锆掺杂的TI3（的SiAl）C 2散装材料具有不同的Zr含量为1，3，5，7，8，和10原子％是由原位热压/固液钛的反应（99％，300制成目），锆（99％200目），硅（99.5％，400目），铝（99.5％，300目），和石墨（99％，200目）的粉末。在所有的样品中，约5原子％的Si，以消除的TiC杂质代替铝。根据目标组合物的混合粉末，在300rpm用无水乙醇和玛瑙球在玛瑙罐的速率匀化在行星式球磨机15小时。然后，将磨碎的粉末进行干燥和热处1560