大尺寸钛铝碳陶瓷的低成本制备及其第一性原理热力学分析

钛铝碳陶瓷是一种具有金属和陶瓷双重特性的结构/功能一体化新型材料。针对传统技术制备材料尺寸小、耗能、耗时、成本高的问题，本项目提出用低成本、低能耗的燃烧合成同时致密化技术(SHS/PHIP)制备大尺寸(Φ280×30mm)、高纯钛铝碳陶瓷，探索工艺参数特别是不同压力下合成产物结构形成和演化的一般规律，研发出SHS/PHIP致密化理论模型以实现对材料结构和性能的控制。同时针对钛铝碳陶瓷至今没有较完整的热力学数据而影响了对其机理等深入研究的情况，本项目采用第一性原理从头计算方法研究燃烧合成过程中热力学行为，确定钛铝碳陶瓷某些未知的热力学参数，并以CFQT（燃烧波淬熄实验）实验为依据研究其反应机理，从而，为可控燃烧合成制备-钛铝碳可加工陶瓷提供理论依据和实验数据，并对钛铝碳陶瓷信息化数据库的建立及其复合材料的制备起到支撑作用。

钛铝碳陶瓷是一种具有金属和陶瓷双重特性的结构/功能一体化新型材料，可作为电刷、受电弓及发动机材料替代品等方面应用，具有重大应用价值。但因其发现较晚，其很多热力学和热物理数据不全甚至空白，从而严重影响了对其反应机理、热力学、动力学研究，另外因很难制备高纯、大尺寸材料，这也限制了其应用。本项目基于第一性原理计算钛铝碳及某些三元陶瓷的热物理性能，从热力学和动力学方面考察材料的相稳定性；结合准谐近似计算模型，通过计算确定钛铝碳陶瓷某些未知的热力学参数；采用低成本、低能耗的燃烧合成同时致密化技术（SHS/PHIP）制备大尺寸高纯钛铝碳陶瓷；从应用角度出发，对该陶瓷作为电刷、受电弓、耐磨件等使用的性能进行表征，获得其应用的可行性及相关数据。得出如下结论：.1. 采用SHS/PHIP制备出了高纯度、大尺寸（Φ280×30mm）、高致密度的钛铝碳（Ti3AlC2、Ti2AlC）三元陶瓷，确定了Ti3AlC2原料配比为：3Ti-1.5Al-1.8C，最佳预制坯相对密度为52%，最佳轴向压力为16.5MPa、延迟时间为9s、高温保压时间为32s。SHS/PHIP制备大尺寸块体Ti2AlC按Ti:Al:C 摩尔比为 2.9:2:1。制备小尺寸Ti2AlC原料粉末Ti、Al和C（炭黑）按摩尔比2:1:1、2:1.05:1、2:1.1:1进行。对三元层状陶瓷及其复合材料的合成机理与动力学进行了研究。制备的钛铝碳陶瓷表现了极为优良的力学性能，其弯曲强度高达620MPa，远高于传统方法（HP、HIP）制备的MAX相材料。.2. 采用第一性原理首次系统计算、模拟并通过实验验证了包括钛铝碳陶瓷在内多的多个MAX相三元化合物的热物理性能，填补了钛铝碳陶瓷某些热力学数据的空白，比如计算得到因钛铝碳的晶胞体积随温度的升高而增大，导致体积膨胀系数和热膨胀系数随温度的升高呈上升趋势。.3. 对合成的钛铝碳块体陶瓷的力学性能、抗氧化性、抗腐蚀性、耐磨性等进行了表征，研究表明钛铝碳陶瓷可作为汇流环、电刷、耐磨件等使用，有望替代目前使用的石墨基复合材料。.4. SHS/PHIP工艺制备大尺寸钛铝碳陶瓷最佳工艺的确定对同类材料的制备具有指导意义，采用第一性原理计算方法研究钛铝碳陶瓷，对钛铝碳陶瓷信息化数据库的建立及其复合材料的制备起到支撑作用。