《三元碳化物陶瓷成分設計及裂紋自癒合研究》是依託北京交通大學，由李世波擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：三元碳化物陶瓷成分設計及裂紋自癒合研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李世波
- 依託單位：北京交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
三元碳化物材料集陶瓷和金屬的優點於一身，是高溫結構件和功能件的優選材料。若此材料在高溫環境下能具有裂紋自癒合能力，則是人們所迫切期待的。但目前對各種陶瓷的自癒合研究僅局限於一次性引入微觀裂紋使之癒合，缺少對裂紋的重複引入研究，無法量化材料自癒合後的性能指標。.本項目主要目標是開展三元碳化物陶瓷的高溫性能和裂紋自癒合研究。研究內容包括：結合第一原理理論計算，控制關鍵參數，製備三元碳化物的單相、固溶體以及複合材料；研究各種新型材料的裂紋自癒合能力；通過成分設計，調控材料高溫形成的氧化產物，研究不同氧化產物對裂紋癒合程度的影響；系統研究各種參數對裂紋癒合程度的影響；量化陶瓷材料裂紋癒合後性能指標；建立相關模型，揭示陶瓷材料的自癒合機制。本項目的研究對促進新型三元碳化物陶瓷材料在高溫氧化環境下的套用具有重要的科學價值，對其它陶瓷材料的自癒合研究亦具有指導意義。
結題摘要
本項目開展了三元碳化物陶瓷的合成、力學性能、高溫抗氧化性能及裂紋自癒合的研究。取得了如下研究成果： 1. 結合第一原理理論計算，通過成分設計，突破關鍵工藝參數，獲得了緻密的、不同微觀組織的三元碳化物單相（Ti2AlC，Cr2AlC，Ti2SnC）、固溶體（Cr2Al(Si)C）以及複合材料(SiC/Ti3Si(Al)C2)；研究了工藝-組織-力學性能之間的關係。 2. 研究了Ti2AlC和Cr2AlC兩種材料的高溫抗氧化性能。結果表明，在材料表面形成緻密的、連續的α-Al2O3保護層是賦予兩種材料具有優異抗氧化性的主要原因。所獲得的氧化數據為隨後的裂紋癒合研究提供了可靠參數。 3. 針對Ti2AlC和 Cr2AlC兩種代表性的三元碳化物陶瓷，開展了具有創新性裂紋癒合研究。系統研究了裂紋尺寸、癒合溫度和時間、氧化產物等對Ti2AlC和 Cr2AlC材料裂紋癒合的影響。 1、所合成的Ti2AlC和 Cr2AlC兩種材料不僅能快速癒合長度1～2 mm的裂紋（而傳統的二元陶瓷僅能癒合長度小於450 µm的裂紋），而且癒合一定尺寸的裂紋後，材料的恢復強度高於其初始強度。如在Cr2AlC材料中引入長度330-340 µm的裂紋，其殘餘強度由初始強度500 MPa降低到429 MPa；經1100 ºC癒合4小時後，材料的恢復強度高達612 MPa。引入的裂紋、材料表面的孔隙以及加工缺陷的全部癒合是材料強度提高的主要原因。 2、實現了Ti2AlC陶瓷在同一位置多達7次“斷裂-癒合”的過程，並量化了裂紋癒合後材料的力學性能，揭示了裂紋癒合機制。其機制主要是形成與基體結合良好的Al2O3 以及一些TiO2填充了裂紋。40多年來，陶瓷材料的裂紋癒合研究僅局限於一次性癒合事件（即在一定溫度和時間癒合長度有限的裂紋，然後測試材料的力學性能），無法量化材料的力學性能恢復指標。目前，據報導僅有高分子材料能實現多次重複性“斷裂-癒合”過程 。陶瓷材料具有多次裂紋癒合能力意味著其作為關鍵部件在高溫苛刻環境下使用壽命和安全性大大提高，其後期的維修成本將大幅度下降。 本項目的研究對促進新型三元碳化物陶瓷材料在高溫氧化環境下的套用具有重要的科學價值，對其它陶瓷材料的自癒合研究亦具有指導意義。
