基于热压原位合成的Ti3SiC2/Al2O3复合材料可控制备及其高温抗氧化机制

To solve the problems such as difficult to synthesize, control of Ti3SiC2 and poor oxidation resistance at high temperature, in-situ hot-press synthesized Ti3SiC2/Al2O3 composite（≥30vol.%Al2O3）based on the raw materials Ti、SiC、C and Al2O3. The material system is designed and optimized through theoretical calculation, controlling the composition and reaction trend and path of products, inhibiting the formation of impurity phases, achieving controllable structure and properties of materials, and compact sintering at the same time. Based on reaction thermodynamics, diffusion kinetics, first principles and phase diagram calculation, we can predict the phase equilibrium relationship and the order of product phase formation of multi-component system, and establish composite reaction diffusion model. The relationship between phase composition, microstructure, process parameters and mechanical properties, high temperature creep, high temperature oxidation resistance and other properties of the composite will be studied. Combined with in situ dynamic observation, oxide composition analysis and oxidation kinetics curve characteristics, the anti-oxidation mechanism of Ti3SiC2/Al2O3 composite in high temperature service environment is revealed from nano scale, mesoscopic, micro and macro scale. The research results will provide theoretical basis and experimental exploration for its application in high technology fields such as hot forging devices, thermal protection systems, friction self lubrication and other major engineering equipment core components.

针对Ti3SiC2合成困难、过程难以控制、高温抗氧化性差等问题，以Ti、SiC、C和Al2O3为原料，热压原位合成Al2O3体积含量（≥30vol.%）的Ti3SiC2/Al2O3复合材料。通过理论计算对材料体系进行设计优化，控制产物组成和反应趋势及路径，抑制杂质相形成，实现材料结构与性能可控及同时致密烧结。依据反应热力学、扩散动力学结合第一性原理与相图计算，对多元体系的相平衡关系和产物相形成的次序进行预测，建立复合材料合成反应扩散模型。研究复合材料物相组成、微观结构、工艺参数与力学、高温蠕变、高温抗氧化等性能之间的关系。结合原位动态观察、氧化物组成分析和氧化动力学曲线特征，从纳观、介观、微观和宏观多尺度揭示Ti3SiC2/Al2O3复合材料在高温服役环境中的抗氧化机制。研究成果将为其在热锻元件、热防护系统、摩擦自润滑等重大工程装备核心部件的服役安全等高技术领域应用提供理论依据和实验探索。

Ti3SiC2与Al2O3具有良好的物理化学相容性且力学性能互补，Ti3SiC2/Al2O3复合材料被认为是一种理想的结构功能材料。本项目采用真空热压烧结技术，研究了原位合成Ti3SiC2/Al2O3复合材料显微组织的物理和化学变化规律及特点，系统探讨了杂质相产生条件、烧结体晶粒度、物相组成和性能之间的关系，优化了烧结制备工艺，揭示其热压烧结工艺条件下的复合机理。通过第一性原理计算，确定了Ti3SiC2和Al2O3主表面的表面能及其最稳定的表面原子构型。基于能量最小化原理，构建了Ti3SiC2∥Al2O3，Ti3SiC2∥Ti3SiC2和Al2O3∥Al2O3的界面模型，分析了界面间距和界面吸附功。通过原位/非原位固溶的方法，探讨了M位固溶元素（铌，钽）和A位固溶元素（铝，锗）对Ti3SiC2/Al2O3复合材料力学性能的影响，阐述了固溶元素对复合材料体相和界面性质的强化机理。研究了800-100℃下复合材料的高温抗氧化行为，以及固溶元素对复合材料高温抗氧化性能的影响，确定了复合材料氧化増重规律、氧化产物组成、结构和氧化动力学曲线特征。通过第一性原理计算，模拟了氧原子和钛空位的扩散行为，计算了扩散路径和活化能，明确了固溶元素对强化复合材料抗氧化行为的内在机制。本项目的研究成果填补了基础研究与应用开发之间的空白，为Ti3SiC2/Al2O3复合材料在航天航空、化学化工、冶金和日常生活等领域的应用提供理论基础和实验依据。