三元層狀碳化物Ti-,2-SC的合成及性能研究.pdf

1、作為Mn+1AXn族的一員，Ti2SC兼具金屬與陶瓷的優(yōu)異性能，其層狀結(jié)構(gòu)又賦予了它優(yōu)于石墨和MoS2的自潤(rùn)滑性。因此，Ti2SC倍受材料研究工作者的關(guān)注。但對(duì)于Ti2SC的研究，人們側(cè)重于直接以Ti2SC粉末制備塊體材料，并結(jié)合多種測(cè)試方法對(duì)其進(jìn)行表征。所以，圍繞以元素粉為原料合成Ti2SC塊體材料這一問(wèn)題展開(kāi)了研究。
　　 研究重點(diǎn)在于采用熱壓燒結(jié)(HP)和放電等離子燒結(jié)(SPS)，以元素粉為原料合成Ti2SC塊體材料。由于

2、S粉沸點(diǎn)低、易揮發(fā)，故先將S元素化合到其他化合物中，再將之與其他原料混合。通過(guò)X射線衍射儀、掃描電鏡及其附帶的能譜儀、X射線熒光光譜儀、激光粒度分析儀等儀器對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)試，探索不同燒結(jié)工藝及參數(shù)對(duì)合成產(chǎn)物的影響。最后，對(duì)所合成Ti2SC塊體材料的物理性能進(jìn)行了初步表征。研究結(jié)果表明：
　　 將Ti粉、S粉以1:2的摩爾比均勻混合后壓片，再將之密封于真空石英管，加熱至650℃并保溫10h，可得到平均粒徑為39.171μm的黃綠色粉

3、末。粉末的顯微結(jié)構(gòu)為六方型層片狀，化學(xué)式可表達(dá)為T(mén)iS2.01，與期望合成用以穩(wěn)定S元素的TiS2化學(xué)式相符，可應(yīng)用于Ti2SC塊體材料的合成。
　　 通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝，以Ti粉、TiS2粉、C粉為原料僅能合成含有較多TiC的Ti2SC塊體材料。適當(dāng)提高燒結(jié)溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間，可促進(jìn)原料的充分反應(yīng)；增加TiS2的摻入量，可緩解S的損失，都有利于Ti2SC的合成。以Ti∶TiS2:C=3.0∶1.2:2.0的摩爾配比，于真空狀態(tài)、

4、30MPa壓力及1600℃的燒結(jié)溫度下保溫120min所得試樣純度較高。
　　 采用SPS工藝，以Ti∶TiS2:C=3.0∶1.2:2.0的摩爾配比，于真空狀態(tài)、30MPa壓力及1450℃的燒結(jié)溫度下保溫10min，可制備高純、致密的Ti2SC塊體材料。試樣具有層片狀結(jié)構(gòu)，其層狀長(zhǎng)約40μm。適當(dāng)提高燒結(jié)溫度、增加TiS2的摻入量，利于Ti2SC的合成。SPS燒結(jié)的溫度比熱壓要低150℃，所得產(chǎn)物純度更高。此工藝下，Ti2SC

5、的合成大致可分為兩個(gè)階段：①600℃～1000℃，TiS2分解生成TiS和S，S以氣體形式揮發(fā)。Ti和C反應(yīng)生成TiC；②1000℃之后，TiS和TiC反應(yīng)生成Ti2SC。合成的Ti2SC在高溫下不穩(wěn)定，本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)燒結(jié)溫度為1500℃時(shí)，部分Ti2SC分解生成TiC和TiS，并伴隨S的揮發(fā)。
　　 所合成的Ti2SC塊體材料實(shí)測(cè)密度為4.60g/cm3，致密度可達(dá)98.93％。其維氏顯微硬度Hv=6.7±0.3GPa，抗彎強(qiáng)度σ

6、f=394.0±12.0MPa，抗壓強(qiáng)度σc=736.0±42.0MPa，斷裂韌性Kic=5.4±0.3MPa·ml/2。Ti2SC在40℃～1000℃之間的平均熱膨脹系數(shù)為8.40×10-6K-1，室溫下熱容為0.56J/g·K，熱導(dǎo)率為53.60W/m·K，電阻率為0.54μΩ·m，Seebeck系數(shù)為-12.70μV/K，功率因子P達(dá)到了300.00μW/m·K。隨著溫度的升高，Ti2SC試樣的熱膨脹系數(shù)、熱容、熱導(dǎo)率和電阻率均呈