1.3.3.6 固液反应法

Sun等[23]以摩尔分数比Ti:Si:C=0.42:0.23:0.35配置混合粉末，然后加入质量分数为4％的NaF，将其置于聚丙烯广口瓶中混合，经过16h后将粉末放人BN坩埚中，再把坩埚放入SiC管炉，在Ar气气氛下，以1200～1 300℃的温度反应2h，然后将得到产物进行以下处理：（1）用HF酸除去TiSi2，（2）将产物在500℃空气中加热10h，使得TiC氧化成为TiO2，（3）把产物在100℃下用(NH4)SO4和H2SO4处理使得其中的Ti溶解，最终得到Ti3SiC2粉末。将产物进行XRD分析[24]，发现其晶格常数a=0.3068nm，c=1.7645nm，通过SEM分析，发现其形态为纤维状。对比在原料中加入和未加入NaF的反应结果，发现在加入NaF的产物中，Ti3SiC2的质量分数为80％ ，比未加入NaF的产物中Ti3SiC2的质量分数增加了2倍。他们认为其原因在于NaF受热变为液相，使得反应由单纯的固一固反应转变成了固一液反应，从而更有利于形成Ti3SiC2。尽管现在看来该反应具体的化学反应机理还不清楚，但通过向Ti—Si—C体系中加入烧结助剂的方法也为促进高纯度的Ti3SiC2的制取提供了一条新思路。

1.4 Ti3SiC2材料的性能

Ti3SiC2晶体结构的特殊性，决定了它具有特殊的性能。Ti3SiC2既有[25]金属材料的特性，比如在常温下具有良好的导电和导热性能，较高的弹性模量，较低的维氏硬度，而且在常温下还有一定的延展性，可以像金属一样进行加工，在高温下还具有塑性；同时，它又具有陶瓷材料的优良性能，比如高的屈服强度，良好的热稳定性，高熔点，良好的抗高温氧化性能，在高温下还能保持较高的强度。另外，还具有优异的抗摩擦磨损性能和良好的自润滑性能。Ti3SiC2的各项指标如表1.1所示[26,27]。

表1.1 Ti3SiC2的性能指标

性能 指标

密度（g/cm3） 4.52

熔点（℃） 3000

分解温度（℃） 1800

电导率（S/m） 4.5×106

热导率（W/(m·K)） 37

线膨胀系数（K-1） 9.2×10-6

泊松比 0.2

热容（J/(kg·K)） 588

维氏硬度（GPa） 4

摩擦系数 （2~5）×10-3

杨氏模量（GPa） 326

剪切模量（GPa） 135

拉伸强度（GPa） 330

弯曲强度（MPa） 600

抗压强度（MPa） 1050

抗热震（℃） 1400→RT

断裂韧性（MPa/m1/2） 11.2

1.4.1 强度性能

弯曲强度和断裂韧性是高温结构陶瓷主要的力学性能指标。根据有关报道，如表1.1所示，材料的弯曲强度和断裂韧性分别为（470±26）MPa和（7.0±0.2）MPa·m1/2，这说明 Ti3SiC2材料具有良好的力学性能。通过文献报道可知材料强韧的主要原因是，材料断裂时内部存在大量的能量吸收机制。另外，通过扫描电镜观察发现，在受到外力作用时，试样中裂纹尖端出现扩展，而且尖端裂纹的扩展出现明显的偏析。试样中的能量吸收机制主要有裂纹的偏折、裂纹的桥连、晶粒的拔出、晶粒的分层和晶粒的弯曲等。同时，采用原位热压/固液相反应法合成的Ti3SiC2材料的结构为一系列薄片状的六边形片晶组成的层状晶粒均匀分布于等轴状的多边形晶粒中[19]，这种结构与片晶强化的陶瓷基复合材料的结构一样，这种结构可以显著提高材料的弯曲强度和断裂韧性。