通过真空渗透法制备Ti3AlC2/Cu复合材料及其摩擦学性能

《Vacuum》：Fabrication of Ti 3AlC 2/Cu composites via Vacuum Infiltration and Their Tribological Properties

钛氢化物、铝和碳粉末按原子比3:1.2:2混合，添加20%硬脂酸后真空烧结制备多孔Ti3AlC2陶瓷，作为基体进行铜浸渍，浸渍系数从1:1增至1:2。通过XRD、SEM、EDS和金相分析，发现摩擦系数随铜含量增加先降后升，最佳浸渍比1:1.5时摩擦系数0.21±0.01，磨损体积最低。

　　本研究聚焦于一种新型复合材料——Ti?AlC?/铜复合材料的制备与摩擦学性能分析。Ti?AlC?是一种具有独特性能的MAX相陶瓷，因其具备良好的自润滑特性，被认为是一种理想的增强相，能够显著提升金属材料的耐磨性和高温稳定性。然而，传统方法在制备此类复合材料时，往往面临金属与陶瓷粉末之间结合力不足的问题，导致复合材料的性能难以达到理想水平。为此，本研究采用了一种创新的制备策略，即通过真空渗透法，在较低温度下（1100°C）完成复合材料的制备，从而避免了Ti?AlC?在高温下的分解，同时有效提升了金属与陶瓷之间的冶金结合。

研究首先选取了钛氢化物粉末、铝粉和碳粉作为基础原料，按照原子比3:1.2:2进行均匀混合。为了提高材料的可加工性并增强其结构稳定性，混合粉末中还添加了20%的硬脂酸。随后，采用真空烧结技术制备出多孔Ti?AlC?陶瓷材料。这一过程不仅能够形成具有特定结构的多孔基体，还为后续的铜渗透提供了良好的条件。通过真空渗透法，研究人员逐步调整Ti?AlC?与铜的渗透比例，从1:1到1:2，以探索不同渗透比例对复合材料摩擦学性能的影响。

为了全面评估复合材料的性能，研究团队采用了一系列先进的测试手段。X射线衍射（XRD）用于分析复合材料的相组成，扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）则用于观察材料的表面形貌和元素分布情况。此外，金属显微镜被用来研究复合材料的微观结构。这些分析手段的结合，使得研究人员能够从多个角度深入理解复合材料的结构与性能之间的关系。

实验结果表明，在不同负载条件下（5 N、10 N、15 N、20 N），Ti?AlC?/铜复合材料的摩擦系数呈现出一种特定的变化趋势。当铜相含量较低时，摩擦系数逐渐下降，但随着铜含量的增加，摩擦系数又开始上升。这一现象揭示了复合材料中金属相与陶瓷相之间的复杂相互作用。在负载为20 N且渗透比例为1:1.5的情况下，复合材料表现出最佳的耐磨性能，其摩擦系数为0.21±0.01，磨损体积为（2.25±0.12）×10?? mm3·m?1。这一发现为优化复合材料的摩擦学性能提供了重要的数据支持。

为了进一步探讨复合材料的摩擦机制，研究人员对摩擦过程中材料的磨损形态进行了详细分析。在较低负载条件下，复合材料表面主要形成了一层摩擦膜，这层膜由Ti?AlC?和氧化铜组成，能够有效减少摩擦带来的直接接触。然而，随着负载的增加，摩擦膜逐渐失效，导致材料表面出现黏着磨损和塑性流动现象。在较高温度条件下，材料表面会形成氧化层，从而改变了摩擦行为。这些现象表明，复合材料的摩擦性能不仅受到渗透比例的影响，还与外部负载条件和温度密切相关。

此外，研究还指出了传统制备方法的局限性。目前，Ti?AlC?/铜复合材料的制备多依赖于粉末冶金、火花等离子烧结（SPS）和热压烧结等技术，这些方法通常需要在高温下进行，以促进金属与陶瓷粉末之间的结合。然而，高温环境可能导致Ti?AlC?的热分解，形成TiC等硬质相，从而影响复合材料的整体性能。例如，之前的研究中，使用1400°C的真空渗透温度制备的Ti?SiC?/铜复合材料，虽然在一定程度上提升了材料的耐磨性，但由于高温导致的结构变化，其摩擦性能并未达到预期效果。

相比之下，本研究采用的真空渗透法在1100°C的条件下进行，显著降低了渗透温度，不仅节约了能源，还有效避免了Ti?AlC?的热分解问题。这种方法能够在较低温度下实现金属与陶瓷之间的冶金结合，从而保证复合材料的结构完整性。同时，通过优化渗透比例，研究人员成功实现了复合材料性能的提升，特别是在耐磨性方面表现尤为突出。

为了进一步验证这一制备方法的可行性，研究团队对多孔Ti?AlC?材料的表面化学状态进行了X射线光电子能谱（XPS）分析。XPS技术能够精确识别材料表面的化学组成，从而揭示其自润滑特性。实验结果显示，Ti?AlC?材料表面存在多种碳基化合物，包括石墨化碳（C-C/C=C）、Ti-C键、C-O键以及羧酸/酯基团（O-C=O）。这些化合物的存在表明，材料表面具有一定的润滑能力，能够有效降低摩擦过程中产生的摩擦力。

研究还探讨了不同渗透比例对复合材料性能的影响。在渗透比例为1:1时，复合材料的摩擦性能相对较差，而随着渗透比例逐渐增加至1:1.5，其摩擦系数和磨损体积均显著降低。这一结果表明，适当的铜相含量能够有效改善复合材料的摩擦学性能，同时保持其结构稳定性。在渗透比例为1:2时，虽然摩擦系数进一步下降，但磨损体积反而有所上升，这可能是由于过量的铜相导致材料内部结构发生变化，从而影响了其耐磨性。

综上所述，本研究通过创新的制备方法，成功制备出具有优异摩擦学性能的Ti?AlC?/铜复合材料。该材料在不同负载条件下表现出良好的耐磨性和自润滑特性，为未来在航空航天、汽车制造和微电子等领域的应用提供了新的可能性。同时，研究还指出了当前方法的局限性，并提出了未来研究的方向，包括探索高温和脉冲负载条件下的材料性能、优化铜-Ti?AlC?界面的结合强度以及开发能够预测材料磨损行为的模型。

这一研究不仅在理论上拓展了对复合材料摩擦学性能的理解，还在实际应用中为提升材料的耐磨性和可靠性提供了可行的解决方案。通过合理控制渗透比例和烧结温度，研究人员能够在不牺牲材料性能的前提下，实现复合材料的高效制备。这不仅有助于降低生产成本，还能提高材料的适用范围和工程价值。

在当前材料科学快速发展的背景下，复合材料因其独特的性能组合而受到广泛关注。Ti?AlC?/铜复合材料的制备与性能研究，正是这一趋势的体现。通过将陶瓷的高温稳定性和耐磨性与金属的塑性变形能力相结合，研究人员成功开发出一种兼具高强度、高导电性和良好耐磨性的新型材料。这种材料在高温和高负载环境下依然能够保持稳定的摩擦性能，因此具有广泛的应用前景。

然而，尽管研究取得了重要进展，仍存在一些需要进一步探索的问题。例如，在高温和高负载条件下，复合材料的摩擦行为可能会发生变化，这需要通过更多的实验数据加以验证。此外，材料界面的结合强度也是影响其整体性能的关键因素之一，因此未来的研究可以聚焦于如何通过纳米结构设计或表面改性技术，进一步优化铜与Ti?AlC?之间的结合。最后，开发能够准确预测材料磨损行为的模型，将有助于在实际工程应用中更有效地评估和优化材料性能。

总体而言，本研究为Ti?AlC?/铜复合材料的制备和性能优化提供了新的思路和方法。通过采用真空渗透法并控制渗透比例，研究人员不仅成功避免了高温带来的材料分解问题，还显著提升了复合材料的摩擦学性能。这些成果为未来在相关领域的材料研发奠定了坚实的基础，并有望推动新型复合材料在实际工程中的广泛应用。