Ti3SiC2材料的制备及电接触性能研究

李 良，李 陈，陆苏健，张 权，钱春莹

(蚌埠学院 材料与化学工程学院，安徽 蚌埠 233030)

电接触材料被广泛应用于电接触领域，电接触材料在应用过程中，频繁受到电弧的烧蚀作用，电弧具有高热量、高能量的特点，在应用过程中，要求电接触具有良好的导热性能和导电性能，同时还应该具有良好的力学性能[1](P3-5)。传统电接触材料因为具有镉毒，应用受到限制，因此，现在迫切需要一种新型材料替代传统电接触材料。

MAX相材料是一组材料，其中M主要由过渡族元素组成，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，该组材料具有优异的金属和陶瓷性能[2-3]。大部分的MAX相材料都是良好的导体，电阻值在0.02～2.00 μΩ/m，其电导率比目前的先进陶瓷材料高几个数量级，这决定了MAX相材料在电学领域具有广阔的应用前景。MAX相材料的制备方法通常为无压合成法(PLS)、自蔓延高温合成法(SHS)、热压合成法(HP)、热等静压合成法(HIP)、火花等离子烧结法(SPS)和微波合成法(MW)等[4]。

MAX相材料的典型代表之一为Ti3SiC2材料。Ti3SiC2材料具有良好的导电和导热性能，具有一定的强度和硬度，有良好的切削性，同时具有超低磨损系数和良好的自润滑性能，这恰好是电接触材料所需要的[5-6]。本文根据电接触材料的应用背景，模拟电弧对Ti3SiC2材料的作用，检测和分析电弧作用后，Ti3SiC2材料的形貌和成分的变化，旨在拓宽Ti3SiC2材料在电接触材料领域的应用范围。

1 实验部分

1.1 实验方法

1.1.1 Ti3SiC2粉末材料的制备

采用熔盐保护合成法制备Ti3SiC2粉末。将TiC、Si、C粉末(TiC<50 μm，99%；Si<75 μm，99.5%；C<50 μm，99.9%。均购于国药集团化学试剂有限公司)和KBr盐以一定比例混合均匀后，倒入内径10 mm的不锈钢模具，使用压片机压成圆柱块体，为防止氧化产物生成，使用压片机和内径20 mm的不锈钢模具将圆柱块体进行KBr盐封装后，放入刚玉坩埚，随后将坩埚置于箱式炉中，以一定的升温速率加热到1350 ℃，保温1 h后，在空气中冷却。此时块体内部的KBr盐已在高温时熔化，形成疏松组织。向坩埚中加入热水，溶解 KBr，反复清洗过滤含Ti3SiC2的盐溶液，除去盐溶液中的KBr后，过滤产物烘干得到 Ti3SiC2粉末材料。

1.1.2 Ti3SiC2块体材料的制备

将装有上述Ti3SiC2粉末的石墨模具放入热压烧结炉中，排空炉内空气，充入氩气保护气体，设置热压烧结炉的压力为30 MPa，以10 ℃/min的烧结速度升温至1000 ℃，保温1 h，随炉冷却后，得到Ti3SiC2块体。

1.1.3 电弧烧蚀实验

将热压烧结制备的块体放入自制电弧烧蚀装置中，电弧烧蚀实验在大气环境下进行，Ti3SiC2块体作电弧烧蚀实验的阴极，钨棒作为阳极，对Ti3SiC2块体和W棒两电极间加载10 kV的电压，电弧发生于Ti3SiC2块体表面，电弧熄灭后，对样品进行形貌和成分的表征。

1.2 实验设备

Ti3SiC2粉末材料的制备使用箱式炉(KSL-1700X，合肥科晶材料技术有限公司)，Ti3SiC2块状材料的制备使用热压烧结炉(ZT-40-21Y，上海晨华科技股份有限公司)。宏观形貌表征采用光学显微镜(OLYMPUS-CX23)，微观形貌采用扫描电子显微镜(HITACHI，SU8020)。成分表征采用X射线衍射仪(SmartLabSE)、X射线能谱仪(HITACHI，SU8020)和拉曼光谱(Lab RAM-HR)。

2 实验结果与讨论

2.1 Ti3SiC2样品XRD分析

采用XRD对熔盐保护合成法制得粉末进行检测，结果见图1，图中Ti3SiC2的PDF卡片号为40-1132，各衍射峰对应的晶面指数已经在XRD数据中进行标识。从图中可以看出绝大多数衍射峰属于Ti3SiC2粉末，说明熔盐保护合成法制备Ti3SiC2粉末是可行的。对该粉末进行热压烧结，烧结后的样品进行打磨抛光，作为电弧烧蚀实验的阴极。

图1 熔盐保护合成法制得Ti3SiC2粉末的XRD图谱

2.2 电弧烧蚀性能分析

经10 kV加载电压烧蚀后，Ti3SiC2块体样品的光学图片见图2。从图2(a)中能看到电弧留下了椭圆形的烧蚀痕迹，烧蚀边缘呈黑色。图2(b)是将图2(a)中的形貌放大后得到的图片，可以看出烧蚀的中心区域有彩色条纹，烧蚀中心有多条显微裂纹产生，这是由于高能高热的电弧作用于Ti3SiC2块体样品表面后，表面材料熔化，电弧熄灭后，材料受到表面张力等的作用，产生热应力，最后在材料表面产生多条显微裂纹[7]。

图2 Ti3SiC2块体样品经10 kV电弧作用后的光学图(a) 原图，(b) 图(a)的放大形貌图

为了进一步观察电弧作用后Ti3SiC2块体样品的微观形貌，采用扫描电子显微镜对Ti3SiC2块体样品进行观察，结果见图3。图3(a)是Ti3SiC2块体样品经10 kV电弧作用后的整体形貌，Ti3SiC2块体经电弧的高温作用后，中间形成熔池相貌，在电弧等离子体力的作用下，中心熔池的材料产生喷溅，电弧熄灭后，在烧蚀四周形成喷溅颗粒，颗粒相貌见图3(b)。除了图2(b)中的烧蚀中心产生的裂纹外，在喷溅颗粒中也有裂纹产生，裂纹贯穿颗粒区域，见图3(c)的箭头指示处。

图3 Ti3SiC2块体样品经10 kV电弧作用后的显微形貌图(a) 整体形貌，(b) 喷溅颗粒形貌，(c) 显微裂纹

采用扫描电子显微镜对电弧烧蚀区域进行面扫描检测元素分布情况，检测结果见图4。从图4(b)中可以看出在烧蚀的边缘区域Ti元素较少，烧蚀中心区域富集较多的Ti元素。在图4(c)中烧蚀的边缘区域富集了较多了Si元素，在烧蚀中心区域基本没有检测到Si元素。O元素分布所有被检测的表面，在烧蚀边缘区域的O元素略微多于烧蚀中心区域。面扫描结果说明Ti3SiC2块体样品经过电弧作用后，表面生成了Ti和Si的氧化物。

图4 Ti3SiC2块体样品经10 kV电弧作用后的面扫描图片(a) 面扫描作用区域，(b) Ti元素，(c) Si元素，(d) O元素

为了定性分析电弧烧蚀后Ti3SiC2块体样品表面的产物，对电弧烧蚀前和电弧烧蚀后的阴极表面进行拉曼检测，结果见图5。经过分析，在电弧烧蚀前，只有两个属于Ti3SiC2的峰(194 cm-1和673 cm-1)被检测到，见图5(a)[8]。从图5(b)中，经过电弧烧蚀后，除了属于Ti3SiC2物质(256 cm-1和610 cm-1)的峰被检测出外[8]，还有位于444 cm-1和836 cm-1的位移峰被检测出来，这两个峰属于TiO2(R120008，R040049)，位于776 cm-1的拉曼峰属于SiO2(R061064)[9-10]。这说明烧蚀的过程中确实有氧化物生成，生成的氧化物是TiO2和SiO2。结合图4的面扫描结果和图5的拉曼分析证明Ti3SiC2块体材料经过电弧烧蚀后，表面生成了SiO2和TiO2物质。这是因为电弧具有非常高的热量和能量，作用于Ti3SiC2材料表面后，材料吸收能量，和空气中的氧分子结合后，生成氧化物SiO2和TiO2。

图5 Ti3SiC2块体样品经10 kV电弧作用前后的拉曼光谱(a) 电弧烧蚀前，(b) 电弧烧蚀后

3 结论

Ti3SiC2块体材料经过10 kV的电弧作用后，表面形成椭圆形烧蚀痕迹，烧蚀中心区域具有彩色条纹图案，烧蚀边缘区域呈黑色。在高能量高热量的电弧作用下，电弧烧蚀后的Ti3SiC2材料的形成中心熔融液池，边缘布满喷溅颗粒。烧蚀的中心区域富集Ti元素，Si元素贫乏，烧蚀边缘区域富集Si元素。同时，Ti3SiC2材料分解后，和空气中的氧气反应生成SiO2和TiO2物质。