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本文以Al-Ti-MWCNTs为基础反应体,利用反应热压法制备nano-Ti C/Al金属陶瓷,研究nano-Ti C/Al金属陶瓷合成的热、动力学机制,分析MWCNTs/Ti摩尔比及合金元素(Mo/Ta/Cr/Nb/Zr)掺杂对金属陶瓷微观组织、力学性能和热物理性能的影响规律,揭示nano-Ti C/Al金属陶瓷性能强化机制。对Al-Ti-MWCNTs体系中潜在反应的热力学计算及热分析结果表明,其反应过程为:Al和MWCNTs最先反应生成Al4C3;然后Ti和MWCNTs反应生成Ti C,Al和Ti发生反应生成Al3Ti,同时Al4C3和Ti发生反应生成Ti C;最后Al3Ti会和MWCNTs反应生成Ti C。随着MWCNTs/Ti比减小,对反应Ti+MWCNTs→Ti C和反应3Al+Ti→Al3Ti有促进作用;对反应4Al+3MWCNTs→Al4C3和反应Al4C3+3Ti→4Al+3Ti C有抑制作用。当MWCNTs/Ti比等于1时,最终产物中只有Ti C和Al。当MWCNTs或Ti多余,会有Al4C3或Al3Ti存在。微观组织分析表明,随着MWCNTs/Ti比的减小,Ti C颗粒尺寸从0.49μm增加到1.39μm,形貌从片状六棱体转变为近球形再转变为切角八面体。添加Mo/Ta/Cr/Zr可细化Ti C颗粒,然而,Nb的加入使Ti C颗粒尺寸变大,同时,合金元素的加入使Ti C的形貌从近球形向切角八面体转变。常高温条件下,MWCNTs/Ti为1:1.1的nano-Ti C/Al金属陶瓷均具有最好的压缩综合性能。常温时,其屈服强度(σ0.2)、最大压缩强度(σUCS)和断裂应变(εf)分别为658.50MPa、977.21MPa和7.65%。300℃时,其σ0.2、σUCS和εf分别为344.70MPa、593.47MPa和8.95%。揭示出MWCNTs/Ti摩尔比对nano-Ti C/Al金属陶瓷的强化机制:(1)少量小尺寸Al3Ti的存在,提高金属与陶瓷间的界面结合;(2)Ti C陶瓷颗粒形貌越接近球形可降低应力集中,减少裂纹源。常高温条件下,添加Mo强化nano-Ti C/Al金属陶瓷压缩性能的效果最显著。常温下,其σ0.2,σUCS和εf分别为757.43MPa、1101.47MPa和7.96%,与未添加Mo的nano-Ti C/Al金属陶瓷相比,分别提高13.06%,11.28%,3.89%。300℃时,其σ0.2,σUCS和εf分别为448.76MPa、781.15MPa和15.1%,与未添加Mo的nano-Ti C/Al金属陶瓷相比,分别提高23.19%,24.03%和40.73%。揭示出合金元素Mo掺杂对nano-Ti C/Al金属陶瓷的强化机制:(1)合金元素固溶于Al中使得晶格发生畸变,固溶强化Al粘结相;(2)改善Ti C颗粒与Al之间的润湿性,提高Ti C/Al界面结合强度;(3)Ti C颗粒尺寸减小,单位面积内Ti C/Al界面数量增多,阻碍裂纹扩展。MWCNTs/Ti为1:1.3的金属陶瓷热膨胀系数最小为9.48×10-6/℃,MWCNTs/Ti为1:1.2的金属陶瓷的导热性能最佳,导热系数为95.89W·m-1·K-1。合金元素的加入,均降低nano-Ti C/Al的导热性能,增大nano-Ti C/Al的热膨胀系数(除Cr外)。