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(shí)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(dòng)機的要求，陶瓷基復合材料成為研究熱點(diǎn)。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(wèn)題研究人員開(kāi)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(jìn)行加工，在高溫下具有塑性；同時(shí)，它又具有陶瓷材料的性能，有高的屈服強度，高熔點(diǎn)、高熱穩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的固體潤滑劑石墨、二硫化鉬有更低的摩擦系數和良好的自潤滑性能。
早在2005年12月，我國國家科學(xué)技術(shù)部就發(fā)布過(guò)一項動(dòng)態(tài)稱(chēng)：一種具有自主知識產(chǎn)權、Ti3SiC2系導電陶瓷制作的新一代高速列車(chē)受電弓滑板在國家863計劃高性能結構材料技術(shù)主題資助下于國內成功研制，這一項目承擔單位北京交通大學(xué)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(chē)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(xiàn)磨耗小等顯著(zhù)特點(diǎn)，有效的解決了國內外當時(shí)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(xiàn)損傷大等問(wèn)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(jìn)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(diǎn)和高溫穩定性等反映類(lèi)似陶瓷的性質(zhì)；而高的電導率、高的彈性模量、高熔點(diǎn)和高溫穩定性等反映其類(lèi)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。原因在于 Ti3SiC2在接觸損傷時(shí)有多重能量吸收機制，如擴散微裂紋、裂紋偏轉、晶粒拔出、晶粒彎折等。而且，這類(lèi)材料具有很好的自潤滑性。這種材料作為高溫結構材料、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(chǎng)合。
三、Ti3SiC2層狀陶瓷材料的應用
（一）生物醫學(xué)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(cháng)時(shí)間的氧化作用，保持穩定性，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(shí)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(wú)需潤滑劑，因此可以制作成種植體或修復體等在口腔醫療臨床方面應用。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合。低的摩擦系數使它可能應用于正畸，以增加滑動(dòng)性降低摩擦阻力。抗腐蝕性以及抗氧化性是該材料應用于口腔環(huán)境并保持其穩定性的重要條件。該材料與瓷粉皆屬陶瓷材料，其結合程度可能好于金屬與瓷的結合，因此對于烤瓷牙內冠，其應用范圍也許要更廣。
不過(guò)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(jìn)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(shí)用性還仍需進(jìn)一步的實(shí)驗室和臨床研究來(lái)證實(shí)。
（二）耐火材料上的應用
隨著(zhù)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(lái)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(mǎn)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(zhù)重要的影響。Ti3SiC2陶瓷材料對熱震不敏感，其獨有的層狀結構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(guò)△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(shí)Ti3SiC2陶瓷材料具有較好的耐化學(xué)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(kāi)發(fā)的理想窯具材料。