以熱壓燒結法製備奈米層狀碳化鈦矽陶瓷及其微結構與機械性質之研究

Abstract

本研究以3Ti/1SiC/1C與3Ti/1SiC/1C/0 1Si起始粉末製備高純度碳化鈦矽陶瓷材料，並以2TiC/1Ti/1Si與2TiC/1Ti/1 1Si起始粉末製備碳化鈦/碳化鈦矽複合陶瓷材料，藉由熱壓燒結法於1200oC 至1700oC，0 1 MPa氬氣氣氛及25 MPa機械壓力下製備碳化鈦矽陶瓷(Ti3SiC2)及碳化鈦矽基複合陶瓷，探討熱壓燒結溫度以及起始粉末中矽添加量對於材料純度、密度、微結構及機械性質之影響，並對高純度碳化鈦矽陶瓷燒結體進行高應變率衝擊測試，分析材料動態破壞行為。 在以3Ti/1SiC/1C與3Ti/1SiC/1C/0 1Si起始粉末合成高純度碳化鈦矽陶瓷材料的研究結果發現，隨著熱壓溫度提升，燒結體純度及視密度皆有增加的趨勢；於較低熱壓溫度下，矽添加量對材料純度有明顯的提升效果；製程中主要的中間相為TiC、Ti5Si3及TiSi2。Ti3SiC2陶瓷的合成機制主要是經由Si及C於TiC及Ti5Si3間擴散，而成核、成長於TiC與Ti5Si3晶粒中。以3Ti/1SiC/1C/0 1Si成分於1500oC熱壓燒結一小時，可獲致高於99 vol% Ti3SiC2相含量的最佳純度，且孔隙率極低的緻密碳化鈦矽陶瓷；其維氏硬度約3 GPa，四點彎曲強度約335 MPa，破壞韌性約7 MPa·m1/2。 以手槍子彈射擊前述最佳純度緻密碳化鈦矽陶瓷燒結體進行衝擊測試，藉由分析Ti3SiC2陶瓷受到高應變?時材?微結構的變化情形及破斷面形貌，探討碳化鈦矽陶瓷成為防彈板夾層材?的可能性。分析材料破斷面後發現，碳化鈦矽陶瓷材料的破壞模式兼具穿晶破壞、?縫轉折、晶?拔出、變形，其長板層?結構有縐摺、擴散微?縫、脫層與晶?崩?等現象，鄰近晶界處有差排及疊差等缺陷產生，而材料內部的Ti3SiC2相於子彈射擊測試前後並未發生相變化或分解現象。 在以2TiC/1Ti/1Si與2TiC/1Ti/1 1Si起始粉末製備碳化鈦/碳化鈦矽複合陶瓷材料的研究方面，成?製備出多種含量配比的緻密TiC/Ti3SiC2複合陶瓷材料。於熱壓溫度為1200 – 1400oC區間，起始成分中添加過量Si對燒結體中Ti3SiC2相生成的效益較顯著，而熱壓溫度提升至1500oC時則此效益較不明顯。燒結體中Ti3SiC2相的晶粒大小及含量隨熱壓溫度上升而提升，而當燒結體中的TiC相含量增加時，燒結體中Ti3SiC2相的晶粒成長則會受到抑制。2TiC/1Ti/1Si成分於1550oC熱壓的燒結體具有最高的破壞強度627 MPa。於熱壓溫度為1200 – 1500oC區間，在同一熱壓燒結條件下，添加過量Si可提升燒結體的破壞強度及破壞韌性，2TiC/1Ti/1 1Si成分於1400oC熱壓後的燒結體具有最高的破壞韌性，7 59·MPa·m1/2。而分析材料破斷面及裂縫延伸狀態後發現，碳化鈦/碳化鈦矽陶瓷材料的破壞模式與高純度碳化鈦矽陶瓷材料相似。

Date of Award	2019
Original language	Chinese
Supervisor	Jow-Lay Huang (Supervisor)