Ti2SC相的制备及耐辐照损伤和氢氟酸腐蚀性能研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hu_411102992
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三元层状可加工陶瓷MAX相具备金属优异的导电性和导热性,良好的抗热震性和损伤容限,较低的硬度和较好的机械加工性;同时兼具陶瓷很高的弹性模量和高温强度,出色的抗氧化性和抗腐蚀性,是潜在的下一代核反应堆堆用结构材料。当前,国内外对MAX相的研究主要集中在Ti3AlC2和Ti3SiC2材料上,对A位是其他原子的MAX相关注甚少。有理论计算表明,不同的A位原子对MAX相的结构有很大的影响。因此,探索这些材料的制备工艺、探讨不同A位原子MAX相的结构和性能的差异,对MAX相的深入研究和应用领域的不断拓展具有重要意义。  本文以Ti2SC相为例,利用放电等离子烧结系统(SPS)分别探索了以单质硫、二硫化钛、及铁硫化物(二硫化亚铁和硫化亚铁)作为硫源合成Ti2SC相的制备工艺。结果表明,单质硫粉由于极易挥发不适合作为可控合成Ti2SC的硫源。二硫化钛是一种稳定的硫源,通过对组分配比、烧结温度和保温时间的调节发现,当Ti-TiS2-1.8TiC混合粉在氩气气氛1500℃保温10分钟时可以得到高纯的Ti2SC粉体。但是二硫化钛制备非常困难,仍需一种可控的、适合规模化生产的、纯度较高的Ti2SC制备工艺。二硫化亚铁和硫化亚铁是常见的铁硫矿物,通过2Ti-FeS2-2TiC和Ti-FeS-TiC在不同温度的烧结产物分析可以发现:FeS2中的硫分两步转化成Ti2SC中的硫,在500℃-1200℃时,从FeS2中分解释放的硫能够迅速同周围的Ti和TiC反应直接得到Ti2SC;FeS2的另一分解产物,高活性高比表面积的多孔FeS,经与单质钛的置换变成TiS后能够在1200℃与TiC反应,从而得到Ti2SC。但在Ti-FeS-TiC体系中只存在上述的第二步反应,并且反应温度要比前者高得多。两个体系中反应得到的Fe或者残余的FeS可以通过稀酸去除,以获得纯度较高的Ti2SC粉末。  为了探究不同A位原子对MAX相结构和性能的影响,本文采用了重离子辐照和氢氟酸静态腐蚀实验。在3 MeV的Au2+离子辐照下Ti2SC发生了局部分解。这与Ti2SC中键能极强的Ti-S键有关,它不仅使得TiS-STi反位缺陷不易形成,也阻碍了辐照后Ti2SC结构的重建。因此,Ti2SC并不如文献报道的Ti3AlC2和Ti3SiC2具备优良的辐照稳定性。此外Ti2SC软质的分解产物TiSx,会使样品受辐照区整体硬度降低。氢氟酸中的腐蚀行为也能体现TiAC相中不同Ti-A键对性能的影响。拥有比Ti-C还强的Ti-S键的Ti2SC在40%HF酸中浸渍32d后仅有晶界受到轻微腐蚀,而Ti3SiC2晶粒发生了严重损伤,Ti3AlC2相的局部晶粒更是变成了层状MXene结构。
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