Ti3AlC2陶瓷及其衍生物Ti3C2Tx增强的Ag基电接触材料

银基电触头在低压开关领域扮演重要角色。作为一种具有良好导电导热性能的新型二维碳化物材料,MXene家族典型代表材料(Ti₃C₂T_x)在多个领域显示出极大的应用潜力。Ti₃C₂T_x有望作为一种新型环保银基电触头增强相材料。本研究采用粉末冶金法制备了Ag/Ti₃C₂T_x复合材料,并对Ti₃C₂T_x和Ti₃AlC₂的物相和微观结构进行表征。同时研究了Ti₃C₂T_x增强Ag基复合材料的综合性能,包括电阻率、显微硬度、机械加工性能、抗拉强度和抗电弧侵蚀性能,并与Ti₃AlC₂增强Ag基复合材料进行了比较。Ag/Ti₃C₂T_x的电阻率(30×10 ^-3 μΩ·m)相对于Ag/Ti₃AlC₂(42×10 ^-3 μΩ·m)降低了29%。Ag/Ti₃C₂T_x硬度适中(64 HV),具有良好的可加工性,作为无毒电触头材料应用前景广阔。Ag/Ti₃C₂T_x复合材料导电性能的提高主要归因于Ti₃C₂T_x本身优异的金属性以及由Ti₃C₂T_x微观结构特征带来的可变形性。由于缺乏Al-Ag相互扩散,Ag/Ti₃C₂T_x复合材料的拉伸强度(32.77 MPa)明显低于Ag/Ti₃AlC₂复合材料(145.52 MPa)。正因为缺失Al层,Ag/Ti₃C₂T_x的抗电弧侵蚀性能也无法与Ag/Ti₃AlC₂相媲美。尽管Ag/Ti₃C₂T_x的抗电弧侵蚀性能有待进一步提高,但优异的导电性使其有望替代当下有毒的Ag/CdO电接触材料。该研究结果为开发新型环保电触头材料提供了新的探索方向。     

碳纳米管-Ti3AlC2/AZ91D复合材料的微观组织及力学性能

采用化学镀铜的方法对增强相碳纳米管(CNTs)和Ti₃AlC₂进行表面改性,热压烧结制备了CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料,研究了其微观组织和力学性能的变化及增强机制。结果表明:CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料内部主要物相为CNTs、Ti₃AlC₂、Mg和Al₁₂Mg₁₇,增强相均匀分布在基体内,在增强相与基体的界面处存在U相(MgAlCu),使二者界面结合良好。当增强相CNTs 和Ti₃AlC₂含量分别为1wt%和25wt%时,较镁合金AZ91D,CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料的弹性模量、拉伸强度、屈服强度和延伸率分别提高了120.30%、25.72%、126.50%和36.84%,弯曲强度和压缩强度分别为337.92 MPa和436.27 MPa。CNTs-Ti₃AlC₂/AZ91D复合材料的断裂方式表现为脆性断裂,其强化机制主要为热配错强化、Orowan强化和细晶强化机制。      

Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在Al液中的熔蚀-磨损行为及其交互作用机制

通过对比分析Ti₃AlC₂-Al₂O₃/TiAl₃复合材料在纯腐蚀、纯磨损及熔蚀-磨损三种条件下的材料流失特征,研究了Ti₃AlC₂-Al₂O₃/TiAl₃复合材料在Al液中的熔蚀-磨损行为及熔蚀与磨损的交互作用机制。结果表明,Ti₃AlC₂-Al₂O₃/TiAl₃复合材料在Al液中的熔蚀-磨损体积损失比H13钢的体积损失低了两个数量级,随着载荷和转速的上升,Ti₃AlC₂-Al₂O₃/TiAl₃复合材料的磨损由磨粒磨损逐渐向黏着磨损转变。Ti₃AlC₂-Al₂O₃/TiAl₃复合材料的熔蚀、磨损交互作用率的最大值为47.5%,在低载荷或低转速条件下由于铝熔体的润滑作用,Ti₃AlC₂-Al₂O₃/TiAl₃复合材料甚至表现出负的交互作用。这一方面是由于Ti₃AlC₂-Al₂O₃/TiAl₃复合材料在Al液中腐蚀时不生成其它界面产物,而仅为极少量Ti元素的溶解;另一方面则是由于TiAl₃基体与Al₂O₃二者所形成的空间网络状结构改善了Ti₃AlC₂-Al₂O₃/TiAl₃复合材料在Al液中的耐磨损性能。      

TaC/Ti3SiC2复合材料的制备与性能

采用反应热压烧结法制备了TaC/Ti₃SiC₂复合材料,借助XRD、SEM、能谱仪以及热重分析等,研究了TaC含量对TaC/Ti₃SiC₂复合材料的相组成、显微结构、力学性能和抗氧化性的影响。结果表明: 采用反应热压烧结法可以制备出致密的TaC/Ti₃SiC₂复合材料,该复合材料的主晶相为Ti₃SiC₂和TaTiC₂,还含有少量的TiC;随着TaC含量的增加,TaC/Ti₃SiC₂复合材料的弯曲强度和断裂韧性呈现先增大后降低的变化趋势,当TaC含量为30wt%时,二者均达到最大值,此时弯曲强度为404 MPa,断裂韧性为4.10 MPa·m^1/2;TaC的引入,使TaC/Ti₃SiC₂复合材料抗氧化性能明显优于Ti₃SiC₂材料。     

Ti3AlC2体材料的高温临氢行为研究

实验研究了Ti₃AlC₂体材料在700~1000℃氢气氛中的热稳定性。通过XRD、SEM、EDS、XPS和Raman分析手段对反应产物和材料形貌进行了表征, 通过热力学软件Factsage对气体产物进行了理论模拟。在700~1000℃氢气氛(低O压)条件下, 固态产物是Al₂O₃、TiO₂和石墨, 气态产物是CH₄, 未检测到氢化物的生成。SEM分析表明, 样品表面未生成明显的孔洞和裂缝。通过Ti₃AlC₂临氢前后的物相及形貌变化分析结果, 初步表明这种材料具有良好的抗氢性能, 可能的原因是反应产物中生成的氧化物对Ti₃AlC₂基体起到了保护作用。     

Ti3C2Tx/聚酰亚胺复合材料的制备及性能

为了改善聚酰亚胺（PI）的热学性能和冲击断裂强度、弯曲强度和硬度等力学性能,通过液相刻蚀三元层状陶瓷Ti₃AlC₂制备了二维层状结构纳米Ti₃C₂T_x,利用XRD、FE-SEM对产物进行了物相分析和微观结构表征;采用湿法球磨和热压成型法制备了不同Ti₃C₂T_x含量的Ti₃C₂T_x/PI复合材料,考察了Ti₃C₂T_x对复合材料热学性能、冲击断裂强度、弯曲强度和硬度等的影响,并分析了断面形貌。结果表明,所制备的Ti₃C₂T_x为纳米片层结构,片层厚度为20~50 nm,片层堆叠;二维Ti₃C₂T_x在PI基体中分散均匀,且固化过程中PI进入Ti₃C₂T_x层间提高了二者之间的结合力,使界面结合良好;Ti₃C₂T_x纳米片的添加提高了PI的玻璃化转变温度并改善了基体的冲击断裂强度、弯曲强度和硬度等,当Ti₃C₂T_x添加量为0.25wt%时,Ti₃C₂T_x/PI复合材料的玻璃化转变温度提高了17℃,冲击断裂强度提高了31%。     

YSZ-Ti3AlC2热障涂层及其高温自愈合行为

采用Ti₃AlC₂作为新型自愈合剂, 利用大气等离子喷涂将混合均匀的YSZ-Ti₃AlC₂粉体制成厚涂层。为观测高温下涂层氧化及裂纹的自愈合行为, 通过外加载荷的方式在涂层表面预制裂纹, 并将样品置于1050℃空气气氛中进行热处理。通过分析涂层制备、热处理前后的物相和形貌演变发现：涂层中的部分Ti₃AlC₂在喷涂后分解为TiC, 热处理后涂层表面形成外层为TiO₂, 内层为TiO₂和Al₂O₃混合物的双层结构。在自愈合过程中, 裂纹内的愈合剂氧化生成Al₂O₃与低密度的TiO₂, 随着扩散控制的氧化反应不断进行, 氧化物逐渐积累并填补裂纹。此外, 在TiO₂生成的同时引起的体积膨胀使裂纹周围产生一定的压应力, 强化愈合效果, 最终完全愈合裂纹。     

宏量制备层状Ti3C2及其超级电容的性能

将钛粉、铝粉、石墨粉和少量锡粉混合,用原位烧结技术宏量制备高纯度前驱体材料Ti₃AlC₂,再以浓氢氟酸为刻蚀剂进行选择性刻蚀,改变刻蚀时间宏量制备出层间距可调节的层状剥离Ti₃C₂。使用X射线衍射和场发射扫描电子显微镜分别表征了Ti₃AlC₂和Ti₃C₂的结构和层间距微观形貌,并对用Ti₃C₂制成的电极进行了电化学性能测试分析。结果表明,相比其它在相同条件下制备的电极其比容量大幅度提高,且具有良好的超级电容性能。     

卤族酸液刻蚀制备Ti3C2TxMXene及性能研究

Ti₃C₂T_x基于其金属导电性和表面可调性，被广泛被应用于能量转换与存储领域。通过对比研究盐酸、氢氟酸、氢溴酸及各种酸液组合对Ti₃AlC₂刻蚀产物Ti₃C₂的物相、形貌及电化学性能的影响，探索各卤族酸对Ti₃AlC₂的刻蚀机理。实验结果表明，HCl+HF+H₂O混合酸液在60℃下对Ti₃AlC₂刻蚀结果较佳，刻蚀产物Ti₃C₂T_x的纯度较高，底液具有类手风琴状；上清液为薄片状，且具有较好的韧性和丁达尔光学效应。通过结合氢氟酸的强腐蚀和盐酸的强酸，在考虑安全与环保的前提下，制备出的Ti₃C₂T_x纯度高，电化学性能好。     

不同铝含量对Ti-Al-C系燃烧合成Ti3AlC2粉体的影响

采用Ti、Al、C和TiC粉末为反应物原料,研究了Ti∶C=3∶2时,不同Al含量(12.3%~25.4%,atomic fraction)对Ti-Al-C体系燃烧合成Ti₃AlC₂粉体的影响。探讨了Al含量对燃烧合成Ti₃AlC₂的影响机理。实验表明,Al含量对Ti-Al-C体系燃烧合成Ti₃AlC₂影响较大,Ti₃AlC₂的含量随Al含量(12.3%~19.4%)增加而增加,但在Al含量为20.6%~25.4%时,却随Al含量的增加而降低。      

新型Ti_3AlC_2-Al_2O_3/TiAl_3复合材料的组织结构与性能

利用Al-TiO2-TiC体系,通过机械球磨和反应热压制备出Ti3AlC2与Al2O3两相原位内生成增强TiAl3金属基复合材料。借助DSC、XRD、SEM和TEM研究了复合材料的反应机制、显微组织、力学性能及抗氧化性能。结果表明,球磨50h后的复合粉末经1 250℃/50 MPa保温10min烧结后可得到组织均匀细小且致密的Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料,其密度、维氏硬度、室温三点弯曲强度、断裂韧性及压缩强度分别为3.8g/cm3、8.4GPa、658.9 MPa、7.9 MPa·m1/2和1 742.0 MPa,1 000℃的高温压缩强度为604.1 MPa。Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料的增韧机制主要包括Ti3AlC2和Al2O3颗粒的剥离、Ti3AlC2相导致的裂纹偏转和桥接以及Ti3AlC2颗粒的变形及层裂。Ti3AlC2-Al2O3/TiAl3复合材料在700~1 000℃温度区间内生成的氧化层虽不致密,但仍表现出优异的抗高温循环氧化性能。     

引入MgAl_2O_4对Ti_3SiC_2基复合材料性能的影响

采用反应热压烧结法制备MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料,研究热压温度和MgAl2O4含量对该复合材料相组成、力学性能及抗氧化性能的影响。结果表明:热压温度影响MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料相组成,在1 450℃烧结可得到性能良好的MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料。引入适量的MgAl2O4,起到弥散强化的作用,有助于提高复合材料的力学性能,当引入量为20wt%时,抗弯强度为527.6 MPa,断裂韧性为7.09 MPa·m1/2。MgAl2O4/Ti3SiC2试样的抗氧化性能优于Ti3SiC2试样。MgAl2O4/Ti3SiC2复合材料在1 400℃氧化后的氧化层分两层,外层是Mg0.6Al0.8Ti1.6O5和金红石型TiO2,内层是由TiO2、方石英SiO2及少量未氧化的基体相混合组成。     

SiC晶须对反应合成多孔TiB_2-TiC复合材料的影响

以Ti、B_4C和SiC晶须(SiC_w)为原料,采用自蔓延高温合成法制备了多孔TiB__2-TiC复合材料。讨论了SiC_w含量对TiB__2-TiC复合材料物相、组织形貌、孔隙率和抗压强度的影响。结果表明:不添加SiC_w时,复合材料中主要物相为贫硼相TiB和Ti_3B_4以及TiC和少量TiB__2;在5Ti+B_4C体系中加入SiC_w后,贫硼相TiB和Ti_3B_4逐渐减少直至消失,而出现富硼相TiB__2和TiC的含量增加。随着SiC_w含量的增加,复合材料的孔隙率逐渐增加,由38.46%增加至5_2.78%。当SiC_w含量小于1.0时,随着SiC_w含量的增加,多孔TiB_2-TiC复合材料的抗压强度明显增加,当SiC_w含量为1.0时,复合材料的抗压强度达到最大值56.04MPa。Ti与SiC_w反应会生成TiC、Ti_3SiC_2和TiSi_2等物相,消耗一定量的Ti,使得与B4C反应的Ti量减少,从而促进富硼相TiB_2形成和TiC的增多。并且在SiC_w表面形成颗粒状TiC或者层片状Ti_3SiC_2,增加SiC_w与TiB_2-TiC基体之间的结合,更有利于发挥SiC_w的强化作用。