MAX相陶瓷Ti3AlC2的高温变形机制和强化方法

• 作 者: 占迅
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 高温塑性变形机制 复合材料 陶瓷材料 晶体结构 缺陷结构 微观机制 显微组织

陶瓷材料高温塑性变形的研究是其作为高温结构件使用的基础。通常陶瓷材料的高温塑性变形是由晶粒内部和晶界的变形这两部分贡献，其中晶粒内部的变形包括位错滑移、孪生和扭折；晶界的变形包括晶界软化和晶界滑移。MAX相陶瓷是一类具有高长轴比(c/a)和化学键各向异性的六方结构陶瓷。它兼具金属和陶瓷的优点，如低密度、高模量、高损伤容限以及良好的抗热震性能等，是一类极具应用前景的高温结构陶瓷。因此，对于MAX相高温塑性变形的研究是其得以应用的第一步。然而，由于其独特的晶体结构和缺陷结构，现有的陶瓷的高温塑性变形机制无法解释其高温变形。因此，本论文的主要工作是找出其高温塑性变形的微观机制。对于这一机制的研究不仅会丰富我们对陶瓷材料塑性变形的认识，而且有助于找出有效的提高MAX相高温强度和韧脆转变温度的方法，使得其应用成为可能。基于这一想法，本论文的研究内容如下：　　
(1)显微结构决定性能。因此，我们首先从微观结构入手，建立微观结构与宏观塑性变形之间的联系。具体的方法是运用透射电镜(TEM)技术研究MAX相陶瓷Ti3AlC2高温变形后的显微组织特点，通过分析不同温度下显微组织的演化，找出其高温塑性变形的微观机制。研究认为，Ti3AlC2高温塑性变形是基面两个独立滑移系开动、位错滑移形成扭折、基面旋转形成扭折和二次扭折共同作用的结果。　　
(2)在提出MAX相陶瓷Ti3AlC2的高温塑性变形机制后，我们希望能够利用这一机制找出有效的改善其高温强度的方法。因此，我们通过添加第二相颗粒的方法改变Ti3AlC2的显微组织，来提高其强度。具体的方法是通过原位热压的方法合成出与基体结合良好的Ti3AlC2-Y4Al2O9颗粒增强复合材料。研究发现，在不牺牲断裂韧性的前提下，复合材料表现出高于单相Ti3AlC2的室温和高温强度。通过分析第二相的形成以及其对Ti3AlC2显微组织的影响，我们认为强化机制主要为细晶强化。　　
(3)由于第二相Y4Al2O9力学性质数据缺乏，我们通过第一性原理计算的方法获得了其弹性性质数据，发现它是一种新型的具有一定损伤容限的陶瓷。基于其晶体结构特点，我们运用Clarke方法预测其是一种新型的低热导率材料。在理论计算的指导下，我们合成出致密、单相的Y4Al2O9块体，证实了理论计算的结论，即Y4Al2P9是一种新型的具有损伤容限的低热导率陶瓷。