引入碳化鉭對鈦硅碳陶瓷材料制備和性能的影響

賈 換 劉俊茹 孫召英

（西安思源學院，陜西 西安710038）

層狀結構三元碳化物或氮化物陶瓷具有抗熱震性、強度和彈性模量較高、抗氧化性能優良、常溫下具有可加工等特性，綜合了陶瓷和金屬的優點，其成為研究者主要研究對象，其中鈦硅碳陶瓷材料作為結構材料和功能材料典型代表[1]。

目前關于研究鈦硅碳陶瓷材料的制備與性能的方法有多種。最早由Jeitschko 和Nowotny 學者在2000℃通過化學氣相沉積法，以氣態的TiH2、Si 和C 為原料合成了鈦硅碳陶瓷材料。胡美俊[2]等人采用SPS 方法，在燒結溫度600℃下制備了致密的Ti3SiC2/Al 復合材料。梁寶巖等人[3]通過自蔓延高溫合成法，以Ti、Si、C、金剛石粉末為原料制備了高含量Ti3SiC2的陶瓷材料。張勁英等研究者采用機械合金化工藝，以鈦粉、鋁粉、硅粉和石墨粉為原料制備了鈦硅碳導電陶瓷。可看出不同制備方法、第二相引入對研究Ti3SiC2陶瓷材料性能有重要理論意義。

碳化鉭是淺棕色粉末，熔點高達3800℃、高硬度、化學穩定性好、導電導熱能力強等優異性能。為提高合金的韌性，將碳化鉭粉末添加于切削工具、精細陶瓷及結構部件中。本試驗通過熱壓燒結法采用鈦粉、碳化硅粉、碳化鉭粉和石墨為原料，制備TaC/Ti3SiC2陶瓷基復合材料，并對其相組成和力學性能進行研究。

1 試驗過程

本試驗以鈦粉、碳化硅粉、石墨為原料按照摩爾比n(Ti)∶n(SiC)∶n(C)=3：1：1 進行配料稱取，引入不同質量分數的碳化鉭粉，無水乙醇為溶劑，氧化鋯球為介質用變頻行星式球磨機攪拌原料、烘箱中，60℃下干燥24h。將稱量好的原料粉末裝入涂一層脫模劑BN 的石墨模具內壓實，在真空下熱壓燒結成型，燒結溫度為1550℃、熱壓壓力為25 MPa，保溫時間為60min，隨爐自然冷卻，氣氛條件為真空。用磨床對燒結試樣進行粗磨、并磨薄到規定的厚度，按照要求尺寸進行切割，再采用細砂紙及拋光機進行細磨，超聲波清洗器在酒精中超聲清洗。

采用阿基米德方法測試，試樣的顯氣孔率和體積密度。采用X 射線衍射儀對材料中結晶物質進行定量分析。力學性能的測試中，先將熱壓燒結制備的試樣采用多用磨床磨平和切割試樣，然后再細磨、拋光。燒結試樣的抗彎強度采用三點彎曲法測定。斷裂韌性采用單邊切口梁法測定。

2 碳化鉭對鈦硅碳陶瓷材料的相組成

圖1 碳化鉭引入Ti3SiC2 陶瓷材料的XRD 圖譜

圖1 是熱壓溫度為1550℃保溫60min 時，質量分數為30%碳化鉭引入鈦硅碳陶瓷材料后試樣的X 射線衍射分析圖譜。根據特定的晶體對X 射線的衍射線的強度和方向確定晶體的方法，從而對結晶物質進行定量分析。結合圖2 可看出引入碳化鉭時，Ti3SiC2相和TaTiC2相的衍射峰極強，TiC 相的衍射峰相對較弱。TaC/Ti3SiC2陶瓷基復合材料的主晶相為Ti3SiC2、TaTiC2，還有少量的TiC 相。

造成這種結果的因素主要有：（1）研究表明：燒結溫度為1500℃、1550℃、1600℃時，TaC/Ti3SiC2復合材料的主要成分逐漸增加，雜質含量減少。因而高致密TTi3SiC2陶瓷材料需要更高燒結溫度。（2）經過XRD 分析，出現了TiC 與TaC 固溶現象從而TaTiC2。小顆粒固溶體TaTiC2分布于層狀Ti3SiC2相晶粒孔隙中，降低了氣孔率，提高了材料的致密度。

表1 TaC/Ti3SiC2 陶瓷基復合材料的體積密度和顯氣孔率

3 碳化鉭對鈦硅碳陶瓷材料的力學性能影響

圖2 TaC/Ti3SiC2 陶瓷基復合材料的力學性能

圖2 是不同碳化鉭含量的TaC/Ti3SiC2陶瓷基復合材料彎曲強度及斷裂韌性數據圖。從圖中可清楚看到，隨著試樣中引入的碳化鉭含量的增加，試樣的斷裂韌性和彎曲強度出現先增加后減小。當試樣中碳化鉭引入量大于30wt %時，TaC/Ti3SiC2陶瓷基復合材料力學性能最好，彎曲強度和斷裂韌性分別高達408.25MPa 、2.58MPa·m1/2。當加入TaC 引入量超過30wt%時，少量引入碳化鉭有利于提高復合材料的力學性能，而過多的碳化鉭會抑制Ti3SiC2晶粒的長大，阻礙Ti3SiC2相的生成。有文獻報道，適當引入第二相碳化鉭可以緩解裂紋的擴展起到增韌補強的效果，從而提高鈦硅碳陶瓷材料的力學性能；當碳化鉭引入量過高，其容易發生偏聚，造成鈦硅碳相分布不均勻，導致力學性能下降。所以第二相碳化鉭的引入量不宜過高。

4 結論

碳化鉭的引入使TaC/Ti3SiC2陶瓷基復合材料的致密度高于純Ti3SiC2陶瓷材料；碳化鉭與鈦硅碳有較好的化學相容性；碳化鉭的引入不僅提高了鈦硅碳陶瓷材料的致密化程度，也提高了陶瓷材料的力學性能，但引入量不宜過高。碳化鉭對鈦硅碳陶瓷材料的主晶相為Ti3SiC2和TaTiC2，還有少量的TiC 相。