Ti3SiC2结合聚晶金刚石的超高压合成机理研究

聚晶金刚石因为优越的性能被广泛应用于材料加工、石油钻探等领域。它的结合剂是影响性能的一个关键因素。传统的金属结合剂和陶瓷结合剂各有优缺点。新型材料Ti3SiC2综合了金属和陶瓷的优点于一身，可以用作结合剂制备性能优良的新型聚晶金刚石。为了制备这种聚晶金刚石，必须认识Ti3SiC2在超高压力(～5GPa)下的生成、晶粒长大与分解机理，认识Ti3SiC2和金刚石在此条件下的共同生长与界面结合机制。本项目利用六面顶压机，在1.5GPa到5.5GPa的压力范围内，1100℃到1700℃的温度范围内，探索高温高压原位合成Ti3SiC2材料与Ti3SiC2/金刚石复合材料的机理。本研究提出一个合成Ti3SiC2材料的新方法（超高压合成），一个新的材料体系(Ti3SiC2-金刚石)，一个Ti3SiC2材料的新应用（超硬复合材料）。

本项目研究以层状陶瓷材料MAX相为结合剂，制备一种新型超硬复合材料。结合剂是影响超硬复合材料性能的一个关键因素。传统的金属结合剂和陶瓷结合剂各有优缺点。新型材料MAX相（主要包括Ti3SiC2与Ti3AlC2）综合了金属和陶瓷的优点，可以用作结合剂制备性能优良的新型超硬复合材料。. 提出一种无压法制备MAX相(Ti3SiC2和Ti3AlC2/Ti2AlC)粉体的新Ti源——TiH2；以TiH2代替传统Ti源(Ti粉)通过无压法对MAX相合成工艺进行研究。利用示差扫描量热扫描法分析Ti-Al(Si)-C体系热量变化。新Ti源不仅降低MAX相制备成本，还有望解决工业批量生产MAX相的热爆现象。. 将实验室自制的高纯Ti3SiC2在4.5GPa压力下与cBN微粉结合制备Ti3SiC2-cBN复合材料。SEM图片显示cBN与基体界面结合紧密；XRD和EDS分析表明基体主要成分是Ti3SiC2。. 尝试以Ti，Si，SiC，石墨和cBN为原料在4.5GPa和1050°C下原位法合成Ti3SiC2结合PCBN。配比3Ti/Si/2C/cBN和3Ti/SiC/C/cBN烧结后基体中存在Ti3SiC2，但需要改善烧结工艺提高Ti3SiC2含量。. 以Ti，Al，TiC，石墨和cBN为原料在4.5GPa和1100～1250°C原位合成Ti3AlC2结合PCBN。1100°C烧结后基体中Ti3AlC2含量最高，但1200°C烧结材料性能最佳：布氏硬度81.6 HRA，摩擦系数1.2。SEM观察表明材料摩擦破坏机理是摩擦磨损和粘结磨损。. 以Ti3SiC2和金刚石微粉为原料在3～5GPa下900～1400°C制备Ti3SiC2-Diamond复合材料。研究表明：在3GPa(900°C)和4.5GPa(1100°C)下，Ti3SiC2处于稳定态，且随烧结压力和温度升高，PCD致密化程度提高；在5GPa(1200°C)下，TiC特征峰出现，且随烧结温度升高(1400°C)，特征峰强度增加。. 基于这些研究，在本领域的权威期刊Diamond and Related Materials，硅酸盐学报等杂志上发表研究论文，其中5篇被SCI检索，申请一项国家发明专利，合作出版一部英文专著。总而言之，该项目得到了很好的完成，取得了优秀的成果。