Ti3AlC2-Cu納米復(fù)合粉體及其塊體材料的制備.pdf

1、為解決陶瓷增強(qiáng)顆粒尺寸大、與基體界面結(jié)合弱、組織缺陷多、以及增強(qiáng)顆粒添加工藝方面的諸多問(wèn)題，以進(jìn)一步提高陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料(MMCs)的綜合性能和可靠性，多年來(lái)已經(jīng)嘗試選擇了多種陶瓷材料增強(qiáng)顆粒和各式各樣的制備工藝，包括近年來(lái)對(duì)Ti3AlC2及其原位蛻變TiCx顆粒增強(qiáng)Cu、Ni等MAX相陶瓷增強(qiáng)MMCs的大量研究。
　　為獲得更小的亞微米或納米級(jí)的、表面活性更高的、且易于添加的陶瓷增強(qiáng)顆粒，以突破多年來(lái)限制MMCs性能及

2、可靠性提高的“瓶頸”，本論文采用機(jī)械合金化高能球磨方法，以Cu粉為球磨介質(zhì)，研究了Ti3AlC2/Cu納米級(jí)復(fù)合粉體的制備工藝及其影響因素，并以其為原料制備了Cu基和Ni基復(fù)合材料，取得了以下主要研究結(jié)果：
　　1.將Ti3AlC2直接進(jìn)行高能球磨很難將顆粒度破碎到亞微米的水平，且球磨過(guò)程或出料過(guò)程很容易發(fā)生分解，甚至自燃。添加Cu粉，可高效地使Ti3AlC2顆粒細(xì)化，且可解決高能球磨過(guò)程中Ti3AlC2的分解和其納米顆粒的保存問(wèn)

3、題。試驗(yàn)表明，在微米級(jí)Ti3AlC2粉末中添加適量的Cu粉，經(jīng)過(guò)一定的球磨工藝過(guò)程，Ti3AlC2和Cu的一次顆粒度均可減小到100nm以下。其主要機(jī)理在于，堅(jiān)硬而邊緣銳利的Ti3AlC2碎屑對(duì)Cu顆粒的切割作用，和Cu屑對(duì)于Ti3AlC2碎屑之間的阻隔作用以及對(duì)Ti3AlC2碎屑表面斷鍵的化學(xué)飽和作用。
　　2.對(duì)XRD圖譜的精修計(jì)算和透射電鏡形貌觀測(cè)的結(jié)果表明:在真空條件下，經(jīng)過(guò)2h的高能球磨，Ti3AlC2的晶粒尺寸可減小到

4、18～22.6nm，而球磨10h可減小到8～12nm。與此同時(shí)，作為介質(zhì)的Cu粉的晶粒尺寸分別減小到35～46nm和12～13nm。然而，由于納米尺度的Ti3AlC2顆粒和Cu顆粒的表面具有很高的活性，高能球磨后Ti3AlC2與Cu均勻混合的復(fù)合粉體大多以幾十微米尺度的二次團(tuán)聚體顆粒形式存在。但是這種二次團(tuán)聚并不影響后續(xù)的塊體材料制備。
　　3.將獲得的Ti3AlC2/Cu復(fù)合粉體在低于Cu的理論熔點(diǎn)的950℃溫度下熱壓燒結(jié)，可得

5、到致密的高陶瓷含量的Cu基復(fù)合材料，且復(fù)合材料的密度隨著復(fù)合粉體球磨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。復(fù)合材料的致密化機(jī)理主要是由于顆粒納米化導(dǎo)致Cu熔點(diǎn)的降低而產(chǎn)生液相燒結(jié)，以及Cu與Ti3AlC2之間良好的潤(rùn)濕性和納米級(jí)均勻混合使得Cu與Ti3AlC2擴(kuò)散距離縮短。
　　4.相同燒結(jié)工藝下，Ti3AlC2/Cu復(fù)合材料的力學(xué)性能和物理性能隨復(fù)合粉體球磨時(shí)間的延長(zhǎng)而提高。其中利用球磨6h的60Ti3AlC2/Cu復(fù)合粉體制備的復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度

6、為1267MPa，硬度為4.9GPa，電導(dǎo)率為5.19％IACS。
　　5.將Ti3AlC2/Cu納米復(fù)合粉體與Ni粉混合，在1150℃溫度下無(wú)壓燒結(jié)制成TiCx顆粒增強(qiáng)Ni基復(fù)合材料。由Ti3AlC2原位蛻變的TiCx顆粒十分均勻地彌散分布在Ni合金基體之中，其平均粒徑達(dá)到300nm左右。其中原料的體積比為T(mén)i3AlC2∶Cu∶Ni=20∶13.3∶66.7的TiCx/Ni基復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度和三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度分別為1123±15M

7、Pa和482±20MPa。
　　本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn):
　　1.利用機(jī)械合金化高能球磨的方法，以Cu粉為球磨助劑，解決了亞微米/納米級(jí)Ti3AlC2粉體的制備問(wèn)題，以及高活性的亞微米/納米級(jí)Ti3AlC2粉體在空氣中易自燃而不能穩(wěn)定存在問(wèn)題。
　　2.利用納米級(jí)Ti3AlC2/Cu復(fù)合粉體，在950℃低溫下燒結(jié)即可制得高強(qiáng)度、良好導(dǎo)電率的Ti3AlC2/Cu復(fù)合材料，有效地改善了Ti3AlC2或其轉(zhuǎn)化物TiCx顆粒增強(qiáng)相