中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心知识库

钛硅碳(Ti₃SiC₂)是一种三元可加工金属陶瓷材料，其晶体结构含有共价键、离子键和金属键三种化学键，特殊的价键结构赋予Ti₃SiC₂兼具金属材料和陶瓷材料的双重优良特性，使其有望成为新一代的结构功能材料。但Ti₃SiC₂硬度偏低(Hv=4 GPa)，常温下表现为脆性，中低温条件下(室温-400 °C)摩擦磨损性能较差，这些缺点一定程度上限制了Ti₃SiC₂的应用。利用性能良好的金属或陶瓷材料作为颗粒增强相对其进行复合化是解决其性能缺陷的一种有效途径。本文以Ti₃SiC₂材料作为基材，利用放电等离子烧结技术(SPS)分别制备了Ti₃SiC₂/Cu、Ti₃SiC₂/Ag、Ti₃SiC₂/Ag/SiC和Ti₃SiC₂/Cu/Al/SiC复合材料，研究了复合材料的制备工艺条件、烧结反应机理、力学性能(维氏硬度、抗弯强度和抗压强度等)，重点考察了复合材料在系统条件下的摩擦磨损性能。以下是主要的结果和结论：

1．Ti₃SiC₂/Cu复合材料在制备过程中，加入的Cu会与Ti₃SiC₂发生反应，造成Ti₃SiC₂的分解，生成TiC_x、Cu₃Si，Ti₅Si₃C_y和TiSi₂C_z等物质，所以控制Cu的添加量是成功制备Ti3SiC2/Cu复合材料的关键。复合材料的磨损率比Ti₃SiC₂小，表明在Ti₃SiC₂中添加适量的Cu有助于提高Ti₃SiC₂的摩擦磨损性能。对Ti₃SiC₂/10wt.%Cu复合材料的摩擦磨损性能进行系统研究时发现TiC_x，Ti₅Si₃C_y，TiSi₂C_z和Cu₃Si等硬质相的钉扎作用使得复合材料的摩擦磨损性能优于Ti₃SiC₂。在高温下，塑性粘着磨损、摩擦氧化磨损以及材料转移会造成复合物的摩擦磨损性能有所降低。

2．Ti₃SiC₂/Ag和Ti₃SiC₂/Ag/SiC复合材料与不同的摩擦配副材料对摩时摩擦磨损试验表明配副材料对Ti₃SiC₂/Ag和Ti₃SiC₂/Ag/SiC复合材料的摩擦磨损性能有显著的影响。当Ti₃SiC₂/Ag复合材料与Si₃N₄、Al₂O₃、SiC三种配副材料对摩时，其磨损主要以不同程度的脆性断裂，晶粒拔出等机械磨损为主。另外，与Si₃N₄和SiC对摩时磨痕表面形成的局部连续的氧化膜能够一定程度上减少材料的磨损率。Ti₃SiC₂/Ag/SiC复合材料与Al₂O₃和SiC 对摩时，磨粒磨损是其主要的磨损机制。而与Si3N4和钢球对摩时，除了磨粒磨损外，黏着磨损也是其重要的磨损机理。

3．Ti₃SiC₂/Cu/Al/SiC 复合材料的物相组成主要是Ti₃SiC₂、AlCu、SiC以及Al₂O₃，烧结过程中，Ti₃SiC₂并没有发生分解。在室温到800 °C 的温度范围内，对复合材料进行了摩擦磨损试验，并与Ti₃SiC₂进行了对比。实验结果表明：在中低温时，Ti₃SiC₂/Cu/Al/SiC复合材料的磨损表面比较光滑，其磨粒磨损得到有效抑制，磨损率较小，耐磨性比Ti₃SiC₂优异；而在高温时，复合材料磨痕表面形成了具有塑性流动特点的氧化膜，这种氧化膜并不稳定，有片状脱落的现象，导致其磨损率高于Ti₃SiC₂的磨损率。