双连续相Ti3AlC2/Cu复合材料的制备及摩擦学性能研究

作     者：位兴民 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄振莺

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Ti3AlC2 Cu基复合材料 双连续相 力学性能 摩擦特性 

摘      要：三元层状碳化物陶瓷材料Ti3AlC2具有金属和陶瓷的优良性能,将其以某种方式与Cu进行复合,有望制备综合性能优良的Cu基复合材料。本论文首先探索制备了高纯多孔Ti3AIC2预制体,并通过研究无压浸渗工艺，制备了高性能的双连续相Ti3AlC2/Cu复合材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)等手段研究了不同工艺下制备的复合材料的相组成及微观结构变化,测试了其力学性能及摩擦学性能,并初步探讨了复合材料显微结构与性能之间的关系。研究结果表明：(1)以Ti粉、TiC粉、Al粉和Sn粉为原料,通过原位反应烧结法,在1380℃和1450℃烧结温度下保温10min,制备出高纯度的多孔Ti3AlC2预制体。两种工艺下制备的预制体显气孔率分别为54%±3.2%和42%±2.1%。(2)在1170℃,不同保温时间下对多孔Ti3AlC2预制体进行无压浸渗Cu,得到了高致密的双连续相Ti3AlCi/Cu复合材料。无压浸渗过程中,Cu与Ti3AlC2在高温下将部分发生反应,部分Ti3AlC2颗粒分解生成了TiCx颗粒,而Al则进入基体Cu中形成Cu(Al)固溶体,TiCx与Cu(Al)基体形成强结合界面。复合材料中陶瓷骨架和金属骨架相互交错,各自呈三维网络连续分布,二者界面结合牢固。(3)采用无压浸渗方法制备得到的双连续相Ti3AlC2/Cu复合材料具有良好的力学性能。其中,气孔率为54%的多孔Ti3AlC2预制体在1170℃浸渗Cu液,保温时间为2.5h得到的双连续相Ti3AlC2复合材料的抗压强度达到了1033MPa,断裂应变为25.3%,弯曲强度也达到了810.48MPa,断裂韧性KIC值为15.02 MPa-m1/2。(4)浸渗保温时间及预制体气孔率对复合材料有显著的影响。浸渗时间较短时,熔融的Cu不能充分浸入Ti3AlC2预制体的孔隙。随着浸渗保温时间的延长,材料的致密度逐渐增加,综合性能也随之提高;气孔率增大,复合材料更多地偏向金属特性;反之,则偏向陶瓷特性。(5)双连续相Ti3AlC2/Cu复合材料具有优良的摩擦磨损特性。特别是在高速30m/s滑动速度下,其摩擦系数为0.35左右,而磨损率不超过2.5×10-6/N·m。