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Ti3SiC2是重要的结构/功能一体化材料，有希望用作高温结构材料替代Ti、Ni等超合金。Ti3SiC2-SiC复合材料相对于Ti3SiC2来说，具有更好的抗氧化性能和耐磨性能等等，引起了研究者的兴趣。目前制备Ti3SiC2-SiC复合材料的方法很多，但是制备得到的复合材料中SiC晶粒往往比较大，有的与Ti3SiC2基体相相当，有些甚至比Ti3SiC2还大。由于Ti3SiC2与SiC热膨胀系数差异大，较大的第二相SiC晶粒会导致烧结后的材料有较大的残余应力，从而使得材料的强度降低。另外，添加SiC后，材料硬度提高，Ti3SiC2的可加工性能将会大打折扣。本文采用放电等离子体烧结原位反应(SPS-RS)方法，制备具有超细SiC晶粒的Ti3SiC2-SiC复合材料，以解决现在研究中存在的难点问题，在保持材料的相关硬度韧性等性能的基础上，提高材料的强度。同时，考虑采用制备梯度材料的方法，在提高材料性能的基础上，保持其可加工性能。主要的研究内容包括：Ti3SiC2单相材料的制备工艺参数的研究，含有超细SiC晶粒的Ti3SiC2-SiC复合材料的制备，复合材料性能的评价，Ti3SIC2-(Ti3SiC2-40vol.％SIC)功能梯度材料有限元设计以及制备等。主要研究内容包括：
⑴热力学和动力学分析结果表明，采用SPS-RS方法制备含有超细SiC晶粒的Ti3SiC2-SiC复合材料具有可行性。从热力学角度考虑，由Ti、Si和C反应制备Ti3SiC2-SiC复合材料的反应是自由能降低的过程。从动力学角度考虑，SPS的自生热可以提供烧结所需要的能量，而快速升降温则可以抑制反应析出的晶粒的生长。因此，采用SPS-RS方法制备具有细晶粒的Ti3SiC2-SiC是可行的。
⑵采用Ti-Si-C体系，辅以少量的Al粉，制备出了高纯的Ti3SiC2材料。以3Ti-Si-2C-0.2Al为起始粉末体系，1280℃温度下，保温6分钟以上，得到的材料的TiC含量降低到了2wt.％以下，烧结材料的相对密度达到98％以上。而且随着保温时间的延长，TiC含量能够进一步降低。但是，保温时间的延长也会导致材料的晶粒尺寸增加，这对于材料的相关力学性能如强度等是不利的。因此，应该综合考虑，以获得晶粒较细而TiC含量相对较低的Ti3SiC2材料。
⑶通过SPS原位反应制备制备出了具有纳米颗粒SiC的Ti3SiC2-SiC复合材料，并对于材料反应过程及机理进行了详尽的分析。分析结果表明，反应过程中SiC是由中间相反应析出，由于SPS烧结时间短，温度低使得SiC超细颗粒得以保存下来。
⑷对不同SiC含量的复合材料进行了相关机械性能、高温抗氧化性能、电学及热学性能等方面性能的评价。研究结果表明，超细SiC的原位引入可以很好地提高材料的硬度、韧性等机械性能和抗氧化性能。制备出的材料强度比文献值有了很大的提高。随着SiC晶粒的原位引入，复合材料的热导升高而电导降低。随着SiC含量的增加，复合材料的磨损率明显下降，Ti3SiC2-40vol.％SIC比Ti3SiC2下降了一个数量级。磨损性能提高的原因在于两个方面，一个是材料的磨损机理由粘着磨损向磨粒磨损转化，另一个则是SiC具有更好的抗氧化性能，它的原位引入可以更好地阻止由于摩擦生热而带来的材料氧化损失，因为材料氧化后可能更容易从肌体剥离。随着SiC含量的增加，复合材料的抗氧化性能得到提高，Ti3SiC2-30vol.％SIC或者Ti3SiC2-40vol.％SIC可使用温度比单相材料提高了200℃。Ti3SiC2-30vol.％SIC或者Ti3SiC2-40vol.％SIC在1200℃以下具有较好的抗氧化性能，而在1200℃以上，即使SiC的原位引入也不能抑制材料的严重氧化。原因有两个方面，除了Ti3SiC2的严重氧化原因外，另外一个可能的原因在于SiC由被动氧化转变为主动氧化。
⑸在添加SiC的同时，随着材料体系硬度的增加，Ti3SiC2的可加工性优势会丧失殆尽。因此，如何在提高材料耐磨性能的同时，保持Ti3SiC2基复合材料的可加工性能问题，成为一个亟待解决的难点。而梯度材料结构可以解决这一问题。本论文首先通过理论模拟分析，进行了成分及层数的优化设计。模拟结果表明，与无梯度直接结合的材料相比，梯度结构可以很好的降低残余应力水平。根据详细的残余应力分析结果，材料分布系数可以设为1.0，而过渡层数可设为9层。根据设计结果，应用SPS原位反应制备出了Ti3SIC2-(Ti3SiC2-40vol.％SIC)功能梯度材料。分些结果表明，随着过渡层数的增加，微观结构梯度变化越来越趋于缓和。Ti、Si、C成分线分析结果也是如此。随着Ti3SiC2含量的降低和SiC含量的增高，Ti的能谱强度相应增高而Si的能谱强度降低。整个梯度材料的硬度值在4.8～3.8GPa之间。2层材料断面出现了明显的裂纹，而5层和9层梯度材料质量完好。
⑹采用SPS原位反应方法，制备出含有超细晶粒的Ti3SiC2-SiC复合材料，解决了当前制备该材料体系中工作存在的SiC晶粒过大而引起的材料强度较低的问题。对于制备出的复合材料体系进行了系统的性能评价。另外，又创造性地将SPS原位反应方法应用到了解决了SiC原位引入到Ti3SiC2中所导致的机械性能提高和可加工性能降低的难以两全的两难境地。