層狀陶瓷材料——Ti3SiC2
一、什么是Ti3SiC2層狀陶瓷材料
鈦碳化硅Ti3SiC2（Titanium silicon carbide）是一種綜合陶瓷材料，既具有耐高溫、抗氧化、高強度的性能，同時又具有金屬材料的導電、導熱、可加工性、塑性等。該項材料的發(fā)展契機大致在20世紀80年代，由于纖維、晶須等增強劑的迅速發(fā)展和航空高推重比發(fā)動機的要求，陶瓷基復合材料成為研究熱點。采用纖維、晶須增強使其韌性得到改善，但因制備成本高和可靠性差，仍難以應用。針對這一問題研究人員開始探索兼有金屬和陶瓷性質(zhì)的高溫材料，最后在Ti-Si-C系統(tǒng)中找到一種鈦碳化硅（Ti3SiC2）。Ti3SiC2既有金屬的特性，在常溫下有很好的導熱性能和導電性能，相對較低的維氏硬度和較高的彈性模量；在常溫下有延展性，可以像金屬一樣進行加工，在高溫下具有塑性；同時，它又具有陶瓷材料的性能，有高的屈服強度，高熔點、高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能，在高溫下能保持高強度。更有意義的是它又比傳統(tǒng)的固體潤滑劑石墨、二硫化鉬有更低的摩擦系數(shù)和良好的自潤滑性能。
早在2005年12月，我國國家科學技術(shù)部就發(fā)布過一項動態(tài)稱：一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)、Ti3SiC2系導電陶瓷制作的新一代高速列車受電弓滑板在國家863計劃高性能結(jié)構(gòu)材料技術(shù)主題資助下于國內(nèi)成功研制，這一項目承擔單位北京交通大學歷經(jīng)兩年相繼攻克了高純度Ti3SiC2、Ti3AlC2、Ti2SnC等陶瓷粉料批量合成技術(shù)、滑板制造工藝，完成了理化特性研究、滑板裝車考核運行。該課題組成功研制的Ti3SiC2系陶瓷滑板具有導電率高、耐沖擊、耐磨耗、耐電弧燒蝕、對接觸網(wǎng)線磨耗小等顯著特點，有效的解決了國內(nèi)外當時使用的碳基滑板以及粉末冶金滑板磨耗快、易破碎、對接觸網(wǎng)線損傷大等問題。當年研制成功的Ti3SiC2系陶瓷滑板對我國鐵路的這一高速化進程發(fā)展發(fā)揮了重要作用。
二、Ti3SiC2層狀陶瓷材料的主要性能
Ti3SiC2綜合了陶瓷和金屬的特性，高的彈性模量、高熔點和高溫穩(wěn)定性等反映類似陶瓷的性質(zhì)；而高的電導率、高的彈性模量、高熔點和高溫穩(wěn)定性等反映其類似陶瓷的性質(zhì)。
表1. Ti3SiC2陶瓷材料的主要性能指標（室溫）
對 Ti3SiC2抗損傷性研究表明，其壓痕之下的亞表明有很大的偽塑性損傷區(qū)。原因在于 Ti3SiC2在接觸損傷時有多重能量吸收機制，如擴散微裂紋、裂紋偏轉(zhuǎn)、晶粒拔出、晶粒彎折等。而且，這類材料具有很好的自潤滑性。這種材料作為高溫結(jié)構(gòu)材料、電刷材料、自潤滑材料、熱交換材料等具有廣泛的應用前景。但相對較低的硬度、耐磨性及相對其他陶瓷材料較低的抗氧化性限制了其應用于耐疲勞、耐磨損及抗氧化等敏感場合。
三、Ti3SiC2層狀陶瓷材料的應用
（一）生物醫(yī)學上的應用
在牙科里要求口腔環(huán)境所使用的材料或部件，既能經(jīng)受長時間的氧化作用，保持穩(wěn)定性，又需要有良好的可加工性和可塑性。Ti3SiC2這種既有陶瓷材料的性能又有金屬特性，同時又兼具較好的生物相容性，使其應用于人體成為可能。Ti3SiC2能夠被加工出精準尺寸的螺紋，且無需潤滑劑，因此可以制作成種植體或修復體等在口腔醫(yī)療臨床方面應用。Ti3SiC2彈性模量與氧化鋯（1.9×105MPa）相比，更接近牙釉質(zhì)或牙本質(zhì)，這使它應用于樁或烤瓷牙內(nèi)冠的潛力增加。自蔓延高溫發(fā)所得的Ti3SiC2材料含有多孔組織，可能更易于組織與其結(jié)合。低的摩擦系數(shù)使它可能應用于正畸，以增加滑動性降低摩擦阻力?？垢g性以及抗氧化性是該材料應用于口腔環(huán)境并保持其穩(wěn)定性的重要條件。該材料與瓷粉皆屬陶瓷材料，其結(jié)合程度可能好于金屬與瓷的結(jié)合，因此對于烤瓷牙內(nèi)冠，其應用范圍也許要更廣。
不過在當前已知的Ti3SiC2制備方法中，必須改善制備工藝才能得到純凈的Ti3SiC2塊體，進而了解該材料更多更準確的特性。并且該材料的生物相容性和口腔臨床實用性還仍需進一步的實驗室和臨床研究來證實。
（二）耐火材料上的應用
隨著陶瓷工業(yè)快速燒成技術(shù)的推廣作用，窯具使用的循環(huán)周期越來越短，使用條件更為苛刻，因此需要不斷提高窯具材料的抗熱震性能，以滿足陶瓷工業(yè)快速燒成技術(shù)的發(fā)展需要。窯具作為一種高級耐火材料，其質(zhì)量好壞對燒成制品的質(zhì)量有著重要的影響。Ti3SiC2陶瓷材料對熱震不敏感，其獨有的層狀結(jié)構(gòu)和高溫下的塑性行為都可以緩解熱應力的作用。材料經(jīng)過△T=1400℃的熱震殘余強度仍在300MPa以上，良好的抗熱震性能可以承受900℃的溫差。同時Ti3SiC2陶瓷材料具有較好的耐化學腐蝕性、易加工、原料相對成本低等優(yōu)勢，使其成為一種可待開發(fā)的理想窯具材料。