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吕氏贵宾会:碳化钛硅 Ti3SiC2 

发布时间:2019/07/15
碳化钛硅 Ti3SiC2

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近年来,材料科学家合成了一类新的312型陶瓷材料,它们的通式为M3XZ2,其中,M是

一种或几种过渡金属元素(如Ti、V等),X是一种或几种主族元素,多位III、IV主族元素

(如Al、Ge、Si等),Z是一种或几种非金属元素(如C、N、B等),目前人们研究的312性

三元化合物主要有Ti3SiC2、Ti3AlC2、Ti3GeC2。它们具有相同的晶体结构,同属于P63/mmc

空间群。这类化合物的典型代表是Ti3SiC2。本文浅略介绍一下Ti3SiC2陶瓷材料。

一、什么是是Ti3SiC2层状陶瓷材料

钛碳化硅Ti3SiC2(Titanium silicon carbide)是一种综合陶瓷材料,既具有耐高温、抗氧化、

高强度的性能,同时又具有金属材料的导电、导热、可加工性、塑性等。该项材料的发展契机大致在

20世纪80年代,由于纤维、晶须等增强剂的迅速发展和航空高推重比发动机的要求,陶瓷基复合材料

成为研究热点。采用纤维、晶须增强使其韧性得到改善,但因制备成本高和可靠性差,仍难以应用。

针对这一问题研究人员开始探索兼有金属和陶瓷性质的高温材料,最后在Ti-Si-C系统中找到一种钛碳化硅

(Ti3SiC2)。Ti3SiC2既有金属的特性,在常温下有很好的导热性能和导电性能,相对较低的维氏硬度和

较高的弹性模量;在常温下有延展性,可以像金属一样进行加工,在高温下具有塑性;同时,它又具有陶瓷

材料的性能,有高的屈服强度,高熔点、高热稳定性和良好的抗氧化性能,在高温下能保持高强度。更有意义的是它又比

传统的固体润滑剂石墨、二硫化钼有更低的摩擦系数和良好的自润滑性能。

早在2005年12月,我国国家科学技术部就发布过一项动态称:一种具有自主知识产权、Ti3SiC2系导电陶瓷制作

的新一代高速列车受电弓滑板在国家863计划高性能结构材料技术主题资助下于国内成功研制,这一项目承担

单位北京交通大学历经两年相继攻克了高纯度Ti3SiC2、Ti3AlC2、Ti2SnC等陶瓷粉料批量合成技术、滑板制造工艺,

完成了理化特性研究、滑板装车考核运行。该课题组成功研制的Ti3SiC2系陶瓷滑板具有导电率高、耐冲击、耐磨耗、

耐电弧烧蚀、对接触网线磨耗小等显著特点,有效的解决了国内外当时使用的碳基滑板以及粉末冶金滑板磨耗快、

易破碎、对接触网线损伤大等问题。当年研制成功的Ti3SiC2系陶瓷滑板对我国铁路的这一高速化进程发展发挥了重要作用。

二、Ti3SiC2层状陶瓷材料的主要性能

Ti3SiC2综合了陶瓷和金属的特性,高的弹性模量、高熔点和高温稳定性等反映类似陶瓷的性质;而高的电导率、

高的弹性模量、高熔点和高温稳定性等反映其类似陶瓷的性质。

表1. Ti3SiC2陶瓷材料的主要性能指标(室温)

对 Ti3SiC2抗损伤性研究表明,其压痕之下的亚表明有很大的伪塑性损伤区。原因在于 Ti3SiC2在接触损伤时有多重

能量吸收机制,如扩散微裂纹、裂纹偏转、晶粒拔出、晶粒弯折等。而且,这类材料具有很好的自润滑性。这种材料

作为高温结构材料、电刷材料、自润滑材料、热交换材料等具有广泛的应用前景。但相对较低的硬度、耐磨性及相对

其他陶瓷材料较低的抗氧化性限制了其应用于耐疲劳、耐磨损及抗氧化等敏感场合。

三、Ti3SiC2层状陶瓷材料的应用

(一)生物医学上的应用

在牙科里要求口腔环境所使用的材料或部件,既能经受长时间的氧化作用,保持稳定性,又需要有良好的可加工性和

可塑性。Ti3SiC2这种既有陶瓷材料的性能又有金属特性,同时又兼具较好的生物相容性,使其应用于人体成为可能。

Ti3SiC2能够被加工出尺寸精确的螺纹,且无需润滑剂,因此可以制作成种植体或修复体等在口腔医疗临床方面应用。

Ti3SiC2弹性模量与氧化锆(1.9×105MPa)相比,更接近牙釉质或牙本质,这使它应用于桩或烤瓷牙内冠的潜力增加。

自蔓延高温发所得的Ti3SiC2材料含有多孔组织,可能更易于组织与其结合。低的摩擦系数使它可能应用于正畸,

以增加滑动性降低摩擦阻力。抗腐蚀性以及抗氧化性是该材料应用于口腔环境并保持其稳定性的重要条件。该材料与瓷粉

皆属陶瓷材料,其结合程度可能好于金属与瓷的结合,因此对于烤瓷牙内冠,其应用范围也许要更广。

不过在当前已知的Ti3SiC2制备方法中,必须改善制备工艺才能得到纯净的Ti3SiC2块体,进而了解该材料更多更准确的特性。

并且该材料的生物相容性和口腔临床实用性还仍需进一步的实验室和临床研究来证实。

(二)耐火材料上的应用

随着陶瓷工业快速烧成技术的推广作用,窑具使用的循环周期越来越短,使用条件更为苛刻,因此需要不断提高窑

具材料的抗热震性能,以满足陶瓷工业快速烧成技术的发展需要。窑具作为一种高级耐火材料,其质量好坏对烧成

制品的质量有着重要的影响。Ti3SiC2陶瓷材料对热震不敏感,其独有的层状结构和高温下的塑性行为都可以缓解热

应力的作用。材料经过△T=1400℃的热震残余强度仍在300MPa以上,抗热震性能最好的可以承受900℃的温差。同时

Ti3SiC2陶瓷材料具有较好的耐化学腐蚀性、易加工、原料相对成本低等优势,使其成为一种可待开发的理想窑具材料。

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