Ti3SiC2材料的制備及電接觸性能研究

李 良，李 陳，陸蘇健，張 權(quán)，錢春瑩

(蚌埠學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

電接觸材料被廣泛應(yīng)用于電接觸領(lǐng)域，電接觸材料在應(yīng)用過(guò)程中，頻繁受到電弧的燒蝕作用，電弧具有高熱量、高能量的特點(diǎn)，在應(yīng)用過(guò)程中，要求電接觸具有良好的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，同時(shí)還應(yīng)該具有良好的力學(xué)性能[1](P3-5)。傳統(tǒng)電接觸材料因?yàn)榫哂墟k毒，應(yīng)用受到限制，因此，現(xiàn)在迫切需要一種新型材料替代傳統(tǒng)電接觸材料。

MAX相材料是一組材料，其中M主要由過(guò)渡族元素組成，例如Ti、V、Cr等元素，A主要包含Si、Al、Sn等元素第三或者第四主族元素，X是C、N等元素，該組材料具有優(yōu)異的金屬和陶瓷性能[2-3]。大部分的MAX相材料都是良好的導(dǎo)體，電阻值在0.02～2.00 μΩ/m，其電導(dǎo)率比目前的先進(jìn)陶瓷材料高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這決定了MAX相材料在電學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。MAX相材料的制備方法通常為無(wú)壓合成法(PLS)、自蔓延高溫合成法(SHS)、熱壓合成法(HP)、熱等靜壓合成法(HIP)、火花等離子燒結(jié)法(SPS)和微波合成法(MW)等[4]。

MAX相材料的典型代表之一為Ti3SiC2材料。Ti3SiC2材料具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，具有一定的強(qiáng)度和硬度，有良好的切削性，同時(shí)具有超低磨損系數(shù)和良好的自潤(rùn)滑性能，這恰好是電接觸材料所需要的[5-6]。本文根據(jù)電接觸材料的應(yīng)用背景，模擬電弧對(duì)Ti3SiC2材料的作用，檢測(cè)和分析電弧作用后，Ti3SiC2材料的形貌和成分的變化，旨在拓寬Ti3SiC2材料在電接觸材料領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1.1 Ti3SiC2粉末材料的制備

采用熔鹽保護(hù)合成法制備Ti3SiC2粉末。將TiC、Si、C粉末(TiC<50 μm，99%；Si<75 μm，99.5%；C<50 μm，99.9%。均購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)和KBr鹽以一定比例混合均勻后，倒入內(nèi)徑10 mm的不銹鋼模具，使用壓片機(jī)壓成圓柱塊體，為防止氧化產(chǎn)物生成，使用壓片機(jī)和內(nèi)徑20 mm的不銹鋼模具將圓柱塊體進(jìn)行KBr鹽封裝后，放入剛玉坩堝，隨后將坩堝置于箱式爐中，以一定的升溫速率加熱到1350 ℃，保溫1 h后，在空氣中冷卻。此時(shí)塊體內(nèi)部的KBr鹽已在高溫時(shí)熔化，形成疏松組織。向坩堝中加入熱水，溶解 KBr，反復(fù)清洗過(guò)濾含Ti3SiC2的鹽溶液，除去鹽溶液中的KBr后，過(guò)濾產(chǎn)物烘干得到 Ti3SiC2粉末材料。

1.1.2 Ti3SiC2塊體材料的制備

將裝有上述Ti3SiC2粉末的石墨模具放入熱壓燒結(jié)爐中，排空爐內(nèi)空氣，充入氬氣保護(hù)氣體，設(shè)置熱壓燒結(jié)爐的壓力為30 MPa，以10 ℃/min的燒結(jié)速度升溫至1000 ℃，保溫1 h，隨爐冷卻后，得到Ti3SiC2塊體。

1.1.3 電弧燒蝕實(shí)驗(yàn)

將熱壓燒結(jié)制備的塊體放入自制電弧燒蝕裝置中，電弧燒蝕實(shí)驗(yàn)在大氣環(huán)境下進(jìn)行，Ti3SiC2塊體作電弧燒蝕實(shí)驗(yàn)的陰極，鎢棒作為陽(yáng)極，對(duì)Ti3SiC2塊體和W棒兩電極間加載10 kV的電壓，電弧發(fā)生于Ti3SiC2塊體表面，電弧熄滅后，對(duì)樣品進(jìn)行形貌和成分的表征。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

Ti3SiC2粉末材料的制備使用箱式爐(KSL-1700X，合肥科晶材料技術(shù)有限公司)，Ti3SiC2塊狀材料的制備使用熱壓燒結(jié)爐(ZT-40-21Y，上海晨華科技股份有限公司)。宏觀形貌表征采用光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS-CX23)，微觀形貌采用掃描電子顯微鏡(HITACHI，SU8020)。成分表征采用X射線衍射儀(SmartLabSE)、X射線能譜儀(HITACHI，SU8020)和拉曼光譜(Lab RAM-HR)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Ti3SiC2樣品XRD分析

采用XRD對(duì)熔鹽保護(hù)合成法制得粉末進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖1，圖中Ti3SiC2的PDF卡片號(hào)為40-1132，各衍射峰對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)已經(jīng)在XRD數(shù)據(jù)中進(jìn)行標(biāo)識(shí)。從圖中可以看出絕大多數(shù)衍射峰屬于Ti3SiC2粉末，說(shuō)明熔鹽保護(hù)合成法制備Ti3SiC2粉末是可行的。對(duì)該粉末進(jìn)行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)后的樣品進(jìn)行打磨拋光，作為電弧燒蝕實(shí)驗(yàn)的陰極。

圖1 熔鹽保護(hù)合成法制得Ti3SiC2粉末的XRD圖譜

2.2 電弧燒蝕性能分析

經(jīng)10 kV加載電壓燒蝕后，Ti3SiC2塊體樣品的光學(xué)圖片見(jiàn)圖2。從圖2(a)中能看到電弧留下了橢圓形的燒蝕痕跡，燒蝕邊緣呈黑色。圖2(b)是將圖2(a)中的形貌放大后得到的圖片，可以看出燒蝕的中心區(qū)域有彩色條紋，燒蝕中心有多條顯微裂紋產(chǎn)生，這是由于高能高熱的電弧作用于Ti3SiC2塊體樣品表面后，表面材料熔化，電弧熄滅后，材料受到表面張力等的作用，產(chǎn)生熱應(yīng)力，最后在材料表面產(chǎn)生多條顯微裂紋[7]。

圖2 Ti3SiC2塊體樣品經(jīng)10 kV電弧作用后的光學(xué)圖(a) 原圖，(b) 圖(a)的放大形貌圖

為了進(jìn)一步觀察電弧作用后Ti3SiC2塊體樣品的微觀形貌，采用掃描電子顯微鏡對(duì)Ti3SiC2塊體樣品進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3(a)是Ti3SiC2塊體樣品經(jīng)10 kV電弧作用后的整體形貌，Ti3SiC2塊體經(jīng)電弧的高溫作用后，中間形成熔池相貌，在電弧等離子體力的作用下，中心熔池的材料產(chǎn)生噴濺，電弧熄滅后，在燒蝕四周形成噴濺顆粒，顆粒相貌見(jiàn)圖3(b)。除了圖2(b)中的燒蝕中心產(chǎn)生的裂紋外，在噴濺顆粒中也有裂紋產(chǎn)生，裂紋貫穿顆粒區(qū)域，見(jiàn)圖3(c)的箭頭指示處。

圖3 Ti3SiC2塊體樣品經(jīng)10 kV電弧作用后的顯微形貌圖(a) 整體形貌，(b) 噴濺顆粒形貌，(c) 顯微裂紋

采用掃描電子顯微鏡對(duì)電弧燒蝕區(qū)域進(jìn)行面掃描檢測(cè)元素分布情況，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4(b)中可以看出在燒蝕的邊緣區(qū)域Ti元素較少，燒蝕中心區(qū)域富集較多的Ti元素。在圖4(c)中燒蝕的邊緣區(qū)域富集了較多了Si元素，在燒蝕中心區(qū)域基本沒(méi)有檢測(cè)到Si元素。O元素分布所有被檢測(cè)的表面，在燒蝕邊緣區(qū)域的O元素略微多于燒蝕中心區(qū)域。面掃描結(jié)果說(shuō)明Ti3SiC2塊體樣品經(jīng)過(guò)電弧作用后，表面生成了Ti和Si的氧化物。

圖4 Ti3SiC2塊體樣品經(jīng)10 kV電弧作用后的面掃描圖片(a) 面掃描作用區(qū)域，(b) Ti元素，(c) Si元素，(d) O元素

為了定性分析電弧燒蝕后Ti3SiC2塊體樣品表面的產(chǎn)物，對(duì)電弧燒蝕前和電弧燒蝕后的陰極表面進(jìn)行拉曼檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖5。經(jīng)過(guò)分析，在電弧燒蝕前，只有兩個(gè)屬于Ti3SiC2的峰(194 cm-1和673 cm-1)被檢測(cè)到，見(jiàn)圖5(a)[8]。從圖5(b)中，經(jīng)過(guò)電弧燒蝕后，除了屬于Ti3SiC2物質(zhì)(256 cm-1和610 cm-1)的峰被檢測(cè)出外[8]，還有位于444 cm-1和836 cm-1的位移峰被檢測(cè)出來(lái)，這兩個(gè)峰屬于TiO2(R120008，R040049)，位于776 cm-1的拉曼峰屬于SiO2(R061064)[9-10]。這說(shuō)明燒蝕的過(guò)程中確實(shí)有氧化物生成，生成的氧化物是TiO2和SiO2。結(jié)合圖4的面掃描結(jié)果和圖5的拉曼分析證明Ti3SiC2塊體材料經(jīng)過(guò)電弧燒蝕后，表面生成了SiO2和TiO2物質(zhì)。這是因?yàn)殡娀【哂蟹浅８叩臒崃亢湍芰?，作用于Ti3SiC2材料表面后，材料吸收能量，和空氣中的氧分子結(jié)合后，生成氧化物SiO2和TiO2。

圖5 Ti3SiC2塊體樣品經(jīng)10 kV電弧作用前后的拉曼光譜(a) 電弧燒蝕前，(b) 電弧燒蝕后

3 結(jié)論

Ti3SiC2塊體材料經(jīng)過(guò)10 kV的電弧作用后，表面形成橢圓形燒蝕痕跡，燒蝕中心區(qū)域具有彩色條紋圖案，燒蝕邊緣區(qū)域呈黑色。在高能量高熱量的電弧作用下，電弧燒蝕后的Ti3SiC2材料的形成中心熔融液池，邊緣布滿噴濺顆粒。燒蝕的中心區(qū)域富集Ti元素，Si元素貧乏，燒蝕邊緣區(qū)域富集Si元素。同時(shí)，Ti3SiC2材料分解后，和空氣中的氧氣反應(yīng)生成SiO2和TiO2物質(zhì)。