Cu-Ti-Si体系自蔓延高温合成Ti_5Si_3的反应机理及电子结构研究

【摘要】金属间化合物Ti5Si3具有高熔点(2130°C)、低密度(4.32g/cm3)、高硬度(11.3GPa)等优异特性，值得进行深入的研究。在人们致力追寻节能、绿色的工业生产趋势下，这种节能、方便的自蔓延高温合成技术被广泛应用到金属间化合物的制备中。本文首先通过实验研究了Cu-Ti-Si体系自蔓延高温合成过程的反应机理和Cu含量、Ti/Si原子比对体系燃烧温度、合成产物相组成、微观结构等的影响，其次又通过第一性原理的计算方法研究了Cu的加入对Ti5Si3力学性能和电子结构的影响。以期为Cu-Ti-Si体系自蔓延高温合成过程提供可借鉴的理论基础。主要研究结果如下：(1)通过实验观察Cu-Ti-Si体系自蔓延高温合成过程，发现了在预热阶段，压坯上表面局部被点燃。在反应阶段，燃烧波迅速蔓延整个压坯，放出强烈的光和热。在冷却阶段，压坯的温度瞬时减小，反应结束；同时研究表明体系的燃烧温度随着Cu含量的增加而明显下降，随着Ti/Si原子比的增加而增加，而且Ti/Si原子比对体系燃烧温度的影响相对较小。(2)通过XRD、SEM及EDS等分析方法研究了Ti/Si原子比和Cu含量对SHS产物相组成和微观结构的影响。结果显示：在不同Ti/Si原子比下，SHS合成产物的主要相是非计量比形成的，但是与体系最初设计的化学计量比还是相对的。而且不同Ti/Si原子比下的产物微观形貌也不一样，TiSi2呈长条状，TiSi呈不规则的多边形状，Ti5Si3呈鹅卵石状。在不同的Cu含量下：SHS合成产物的主要相是Ti5Si3，但仍然伴有TiSi2、Cu3Si、Cu9Si这些非稳定相。而且孔隙率随着Ti/Si原子比和Cu含量的增加而减小，使产物的致密性有所提高。同时还发现了Cu的加入，致使体系反应过程中颗粒之间出现了大量液相，促进反应的进行，改善了颗粒之间的粘结方式。(3)通过燃烧波前沿淬熄法探讨了Cu-Ti-Si体系自蔓延高温合成过程的反应机理。结果显示，自蔓延高温合成过程中，Cu-Si之间发生共晶反应产生液相，随着反应的进行，大量[Ti]和[Si]溶解到液相当中，一旦达到饱和，Ti5Si3便从饱和液相中析出，放出大量的热，引燃体系的整个燃烧反应。并且在此基础上，提出了合成产物的反应机理是溶解-反应-析出。(4)通过第一性原理方法研究了Cu的加入对Ti5Si3力学性能和电子结构的影响。结果表明：Cu会优先占据Ti5Si3的4d-Ti位置，而且能相对的降低Ti5Si3的稳定性，但能提高Ti5Si3的综合性能；与此同时，Cu占据Ti5Si3的4d-Ti位置时，随着Cu含量的增加，晶格常数a、c都减小；体模量B和剪切模量G也逐渐减小，但是柯西压力(C12–C44)和B/G值随之增加，都说明了Cu的加入使Ti5Si3有金属键的形成，使其从脆性材料过渡到韧性材料，改善了Ti5Si3的综合性能。
【作者】黄莎；
【导师】李玉新；
【作者基本信息】中北大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】自蔓延高温合成；微观结构；反应机理；第一性原理；

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