鈦碳化硅陶瓷材料的研究進展

關鍵詞： Ti3SiC2 制備 性能 第二相

中圖分類號： TQ175 文獻標識碼： 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良特性于一身，具有許多優異的特性，如良好的導電導熱性、機械加工性、高強度、高硬度、耐化學腐蝕性、耐氧化性等，可作為軸承材料、滑電弓類材料、減摩材料等，在機電、化工等領域廣泛應用，因而得到了研究者的極大關注。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、力學性能、抗氧化性等。本文就鈦碳化硅材料的晶體結構、性能特點、制備方法和應用進展進行了總結。

1 Ti₃SiC₂的結構

鈦碳化硅的結構模型可知：平面硅原子層將八面體Ti₆C 隔開，形成層狀結構，碳原子位于結合八面體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構，相應的晶體結構見圖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方法有微波加熱合成、熱壓燒結、自蔓延高溫法、化學氣相沉積法、熱等靜壓法、微波加熱合成及無壓燒結等，它們各有合成技術的優缺點[2]，具體如表1 所示。放電等離子燒結、熱壓燒結法、熱等靜壓法等生產不能大規模化，成本高；而機械合金化法、自蔓延高溫法、微波加熱合成、無壓燒結等操作簡單、成本低廉，但生產中易有雜質相，可以用兩種或多種合成方法相結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、制備工藝及研究結果進行了總結與對比，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；放電離子燒結裝置進行熱處理后的Ti₃SiC₂純度為99.1%。

3.1 Ti₃SiC₂的力學性能

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：燒結溫度越高，試樣越致密，力學性能越高。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制來抵抗損傷，除了裂紋偏折、裂紋橋聯外，顆粒扭曲、顆粒拔出及顆粒層化也是主要的能量耗損機理。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。薛茂權等人[7]采用無壓燒結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法制備；經合成粉末置于40% 氟化氫中，熱反應得到產物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構中的熱應力。

于鈦碳化硅材料而言，粗大晶粒與細小晶粒的試樣相比，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，粗大晶粒同細小晶粒相比，強度降低；其次，粗大晶粒能夠降低材料熱應力，這是由于它易出現晶粒彎曲、晶界滑移的情況；最后，通過試樣斷口形貌的顯微分析說明，試樣沿晶斷裂的區域范圍隨著晶粒尺寸的增大而增大。

3.3 Ti₃SiC₂的電學性能

由于鈦碳化硅材料其室溫電導率為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。其熱導率隨著溫度的升高而稍微呈線性降低。實驗中，研究室溫下Ti₃SiC₂材料的電導率為4.3×10⁶ S/m，熱導率為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溫度升高而增加，當燒結溫度1 300 ℃，鈦硅碳材料的硬度約為6.7 GPa。鈦碳化硅具有層狀結構，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，會隨著實驗條件的變化而不同，所以在研究材料的磨損性能時，必須提及詳細的實驗條件。

梁寶巖等人[9]用SHS 制備了鈦碳化硅材料，實驗證明原料中石墨的粒度對鈦碳化硅的反應機制有重大影響，不同粒度的石墨決定了不同的碳化鈦形成機制，從而影響鈦碳化硅轉變率。用SHS 合成鈦碳化硅材料的反應時間短、過程難控制，產物中有明顯的雜質相，因此還需要進一步完善。

3.5 Ti₃SiC₂的其他性能

SiO₂薄膜（SiO₂保護性優于TiO₂）對鈦碳化硅材料氧化性起到抑制作用，這也證明了高溫結構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構有密切聯系，因此可以像高速刀具進行磨削加工，制作各種不同幾何形狀的精細零件。

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復合材料，0.3 mol Al的摻入促進鈦-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，采用無壓熔滲反應燒結的試樣彎曲強度501 MPa，HV 為5.37 GPa。嚴漢兵等人[11]采用SHS 將Ti、Si、C 和Al 粉混合配料，燒結溫度1 550 ℃，滲透時間30 min，Ti3SiC2相含量為93.6%；抗壓強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相可提高鈦硅碳力學性能及硬度，Ti₃SiC₂主要力學性能具體見表3[11-15]。

5 結語

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，均有雜質相無法制備高純度試樣，而目前實現鈦碳化硅材料的工業化生產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，如鈦碳化硅材料導熱導電性能與鈦硅碳材料微觀結構的關系、復合材料韌性與研究機理的關系等，需要更廣泛、更深入地進行研究。陶瓷材料主要研究方向分為塊體，涂層、薄膜、粉體，現在研究者將研究多孔鈦碳化硅的力學性能、抗氧化性及孔結構的抗氧化機制。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。