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Ti3SiC2是一种三元层状Mn+1AXn相(M是过渡金属元素,A是ⅢA或者ⅣA元素,X是C或者N元素),它兼具金属和陶瓷的优异性能,例如低密度、高强度和模量、良好的导热性能和导电性能、良好的抗热震性、1100℃之下良好的抗氧化性能以及良好的可加工性。
但是,由于Ti3SiC2的硬度低(维氏硬度4GPa),耐磨性差以及在1100℃之上抗氧化性能比较差,严重限制了它的广泛应用。
前人对Ti3SiC2电子结构的研究表明:Ti3SiC2较低的硬度和较差的抗磨损性能主要是由于Ti-C-Ti-C-Ti共价键链以及Si原子层较弱的结合；1100℃之上抗氧化性能比较差主要是因为在氧化过程中氧化表面缺乏连续的SiO2层。
硅化钛(Ti5Si3)可以添加到Ti3SiC2中来增强Ti3SiC2的硬度和抗摩擦磨损性能,主要是因为:第一,Ti5Si3具有低密度、高熔点、高的维氏硬度、高的高温强度和良好的抗氧化性。另外,Ti5Si3也具有良好的导热性和导电性,更为重要的是Ti5Si3具有和Ti3SiC2相似的热膨胀系数。所以本论文选择Ti5Si3来制备Ti3si(Al)C2/Ti5Si3复合材料,以增强其硬度和抗磨损性能。
本文以Ti、Si、Al和石墨为原料,采用原位热压/固-液相反应方法,在30MPa,压力下,以流动氩气做保护,1580℃保温1h,成功制备了致密的不同Ti5Si3含量的Ti3Si(Al)C2/Ti5Si3复合材料。系统研究了不同Ti5Si3含量对Ti3Si(AL)C2/Ti5Si3复合材料显微结构、密度、硬度、弯曲强度、断裂韧性与压缩强度的影响。还研究了Ti5Si3的存在对Ti3Si(Al)C2/Ti5Si3复合材料的抗氧化性与摩擦磨损性能的影响。
与纯的Ti3Si(Al)C2相比,Ti3Si(Al)C2/Ti5Si3复合材料具有更高的硬度和抗磨损性能,但是弯曲强度却略有下降(比纯Ti3Si(Al)C2降低26％)。Ti3Si(Al)C2/30vol.％Ti5Si3具有最高的硬度(比纯Ti3Si(Al)C2高68％)和最好的抗磨损性能(抗磨损性能提高了两个数量级)。Ti3Si(Al)C2/Ti5Si3复合材料保持了比较高的断裂韧性(5.69MPa·mm1/2到6.79MPa·mm1/2之间)Ti3Si(Al)C2/Ti5Si3复合材料抗摩擦磨损性能的提高主要是由于硬质Ti5Si3颗粒的贡献,Ti5Si3硬质颗粒钉扎了较软的Ti3Si(Al)C2基体,减少了Ti3Si(Al)C2基体的磨损。而弯曲强度下降主要由于Ti5Si3本身的弯曲强度比Ti3Si(Al)C2低的缘故。