Characterisation of the microstructure, thermophysical, and mechanical properties of the ti3alc2-tic composite

• Autorzy: Łęczycki Krzysztof , Starczewski Maciej , Panas Andrzej , Sałaciński Michał , Krupińska Anna

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0055.1559

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka mikrostruktury, właściwości cieplnofizycznych i mechanicznych kompozytu Ti3AlC2-TiC

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study focuses on a complex complementary investigation of the properties of the composite structure with a Ti₃AlC₂ MAX phase matrix and dispersive titanium carbide particle filling. The paper presents the results of microstructure studies, thermophysical and mechanical properties of the Ti₃AlC₂-TiC composite obtained by the SPS (spark plasma sintering) method.. Microstructural observations, including the distribution of both phases of the composite, were carried out using Scanning Electron Microscopy (SEM) combined with Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS). As part of the thermophysical properties analysis, the temperature-dependent thermal diffusivity was determined using the Laser Flash Analysis (LFA) method, along with specific heat capacity measured by LFA using a reference sample, and linear thermal expansion. Based on the parameters and density of the composite (determined from geometric and weight measurements), its thermal conductivity was calculated, accounting for its temperature dependence. The presented material characterisation was supplemented with the results of Dynamic Mechanical Analysis (DMA), performed in a three-point bending mode instrument operation on a free-standing sample, as well as hardness measurements using the Vickers method. The obtained data were analysed, and the results were used both for ongoing calculations of interdependent parameters and to verify the correctness of the acquired data.

PL

Praca dotyczy kompleksowych komplementarnych badań właściwości struktury kompozytu z osnową fazy MAX Ti₃AlC₂ i dyspersyjnym wypełnieniem cząstkami węglika tytanu. W referacie przedstawiono wyniki badań mikrostruktury, właściwości cieplnofizycznych oraz mechanicznych kompozytu Ti3AlC2-TiC uzyskanego metodą SPS (spark plasma sintering). Obserwacje mikrostruktury z uwzględnieniem rozmieszczenia obydwu faz kompozytu przeprowadzono z wykorzystaniem metod skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) z zastosowaniem spektroskopii dyspersji energii (EDS). W ramach badań właściwości cieplnofizycznych określono zależności temperaturowe dyfuzyjności cieplnej metodą wymuszenia laserowego (LFA), ciepła właściwego metodą LFA z wykorzystaniem pomiarów wzorca oraz liniowej rozszerzalności cieplnej. Na podstawie uzyskanych parametrów oraz gęstości kompozytu wyznaczonej metodą wypornościową obliczono jego przewodność cieplną z uwzględnieniem jej zależności od temperatury. Przedstawioną charakterystykę materiału rozszerzono o wyniki pomiarów dynamicznej analizy (termo)mechanicznej (DMA), które zrealizowano w trybie trójpunktowego zginania próbki swobodnej oraz o pomiary twardości metodą Vickersa. Uzyskane dane były poddane analizie, której wyniki wykorzystano zarówno do bieżącego przeliczania wartości zależnych od siebie parametrów, jak i do sprawdzenia poprawności uzyskiwanych danych.

Słowa kluczowe

EN

MAX phase; specific heat capacity; thermal diffusivity; thermal conductivity; storage modulus; hardness

PL

faza MAX; ciepło właściwe; dyfuzyjność cieplna; przewodność cieplna; moduł zachowawczy; twardość

• Wydawca: Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych
• Czasopismo: Journal of KONBiN
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 55, iss.2
• Strony: 97--109
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Łęczycki Krzysztof

• Air Force Institute of Technology (Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych), Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3934-0902

autor

Starczewski Maciej

• Air Force Institute of Technology (Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych), Poland

• https://orcid.org/0009-0009-8776-9691

autor

Panas Andrzej

• Air Force Institute of Technology (Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych), Poland
• Military University of Technology (Wojskowa Akademia Techniczna), Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5497-5845

autor

Sałaciński Michał

• Air Force Institute of Technology (Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych), Poland

• https://orcid.org/0000-0001-8262-763X

autor

Krupińska Anna

• Air Force Institute of Technology (Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych), Poland

• https://orcid.org/0000-0002-0130-6445

Bibliografia

• 1. P. Rutkowski, J. Huebner, D. Kata, L. Chlubny, J. Lis, and K. Witulska, ‘Thermal properties and laser processing of hot-pressed materials from Ti–Al–C system’, J. Therm. Anal. Calorim., vol. 137, no. 6, pp. 1891–1902, Sep. 2019, DOI: 10.1007/s10973-019-08107-w.
• 2. K. Goc et al., ‘Structure, Morphology, Heat Capacity, and Electrical Transport Properties of Ti3(Al,Si)C2’, Materials, vol. 14, p. 3222, Jun. 2021, DOI: 10.3390/ma14123222.
• 3. M. S. Alam et al., ‘Advancements in MAX phase materials: structure, properties, and novel applications’, RSC Adv., vol. 14, no. 37, pp. 26995–27041, Aug. 2024, DOI: 10.1039/D4RA03714F.
• 4. X.-K. Qian, Y.-B. Li, X.-D. He, Y.-X. Chen, and S.-N. Yun, ‘Electrical and Thermal Properties of Ti3AlC2 at High Temperature’, J. Ceram. Sci. Technol., vol. 2, no. 3, pp. 155–158, 2011.
• 5. Y. W. Bao and Y. C. Zhou, ‘Evaluating high-temperature modulus and elastic recovery of Ti3SiC2 and Ti3AlC2 ceramics’, Mater. Lett., vol. 57, no. 24, pp. 4018-4022, Aug. 2003, DOI: 10.1016/S0167-577X(03)00258-1.
• 6. J. Wiśniewski et al., ‘Microstructure and properties of MAX-based composites manufactured from Ti3SiC2-based and Ti/SiC powders by FAST/SPS in vacuum’, Vacuum, vol. 216, p. 112425, Oct. 2023, DOI: 10.1016/j.vacuum.2023.112425.
• 7. M. W. Barsoum, MAX phases: properties of machinable ternary carbides and nitrides. John Wiley & Sons, 2013.
• 8. J. X. Chen, Y. C. Zhou, H. B. Zhang, D. T. Wan, and M. Y. Liu, ‘Thermal stability of Ti3AlC2/Al2O3 composites in high vacuum’, Mater. Chem. Phys., vol. 104, no. 1, pp. 109–112, Jul. 2007, DOI: 10.1016/j.matchemphys.2007.02.091.
• 9. X. K. Qian, ‘Methods of MAX-phase synthesis and densification – I’, in Advances in Science and Technology of Mn+1AXn Phases, Elsevier, 2012, pp. 1–19. DOI: 10.1533/9780857096012.1.
• 10. M. Radovic and M. W. Barsoum, ‘MAX phases: Bridging the gap between metals and ceramics’, Am. Ceram. Soc. Bull., vol. 92, no. 3.
• 11. A. J. Panas, C. Senderowski, and B. Fikus, ‘Thermophysical properties of multiphase Fe-Al intermetallic-oxide ceramic coatings deposited by gas detonation spraying’, Thermochim. Acta, vol. 676, pp. 164–171, Jun. 2019, DOI: 10.1016/j.tca.2019.04.009.
• 12. W. J. Parker, R. J. Jenkins, C. P. Butler, and G. L. Abbott, ‘Flash Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity, and Thermal Conductivity’, J. Appl. Phys., vol. 32, no. 9, pp. 1679–1684, Sep. 1961, DOI: 10.1063/1.1728417.
• 13. J. Xue and R. Taylor, ‘An evaluation of specific heat measurement methods using the laser flash technique’, Int. J. Thermophys., vol. 14, no. 2, pp. 313–320, Mar. 1993, DOI: 10.1007/BF00507816.
• 14. N. V. Tzenov and M. W. Barsoum, ‘Synthesis and CharaCLTErization of Ti 3 AlC 2’, J. Am. Ceram. Soc., vol. 83, no. 4, pp. 825–832, Apr. 2000, DOI: 10.1111/j.1151-2916.2000.tb01281.x.
• 15. K. Vasanthakumar and S. R. Bakshi, ‘Effect of C/Ti ratio on densification, microstructure and mechanical properties of TiCx prepared by reactive spark plasma sintering’, Ceram. Int., vol. 44, no. 1, pp. 484–494, Jan. 2018, DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.09.202.
• 16. J. X. Chen and Y. C. Zhou, ‘Strengthening of Ti3AlC2 by incorporation of Al2O3’, Scr. Mater., vol. 50, no. 6, pp. 897–901, Mar. 2004, DOI: 10.1016/j.scriptamat.2003.12.002.
• 17. Y. Bai, X. He, C. Zhu, and G. Chen, ‘Microstructures, Electrical, Thermal, and Mechanical Properties of Bulk Ti2 AlC Synthesized by Self‐Propagating High‐Temperature Combustion Synthesis with Pseudo Hot Isostatic Pressing’, J. Am. Ceram. Soc., vol. 95, no. 1, pp. 358–364, Jan. 2012, DOI: 10.1111/j.1551-2916.2011.04934.x.
• 18. J. H. Richardson, ‘Thermal Expansion of Three Group IVA Carbides to 2700°C’, J. Am. Ceram. Soc., vol. 48, no. 10, pp. 497–499, 1965, DOI: 10.1111/j.1151-2916.1965.tb14647.x.
• 19. W. Son, T. Duong, A. Talapatra, H. Gao, R. Arróyave, and M. Radovic, ‘Ab-initio investigation of the finite-temperatures structural, elastic, and thermodynamic properties of Ti3AlC2 and Ti3SiC2’, Comput. Mater. Sci., vol. 124, pp. 420–427, Nov. 2016, DOI: 10.1016/j.commatsci.2016.08.015.
• 20. G.-M. Song, Y. Zhou, S.-J. L. Kang, and D.-Y. Yoon, ‘Effect of carbon fibers on the thermophysical properties of TiC composites’, J. Mater. Sci. Lett., vol. 21, no. 22, pp. 1733–1736, Nov. 2002, DOI: 10.1023/A:1020948132154.
• 21. A. Goldsmith, Thermophysical properties of solid materials, vol. 58. Wright Air Development Center, Air Research and Development Command, US Air, 1959.
• 22. R. E. Taylor, ‘Thermal Conductivity of Titanium Carbide at High Temperatures’, J. Am. Ceram. Soc., vol. 44, no. 10, pp. 525–525, 1961, DOI: 10.1111/j.1151-2916.1961.tb13718.x.
• 23. R. H. J. Hannink and M. J. Murray, ‘Elastic moduli measurements of some cubic transition metal carbides and alloyed carbides’, J. Mater. Sci., vol. 9, no. 2, pp. 223–228, Feb. 1974, DOI: 10.1007/BF00550945.