Microwave assisted self-propagating high-temperature synthesis of Ti3SiC2 MAX phase

• Autorzy: Dmitruk A. , Naplocha K. , Lagos M. , Egizabal P. , Grzęda J.

Warianty tytułu

PL

Wspomagana mikrofalami samorozprzestrzeniająca się wysokotemperaturowa synteza fazy Ti3SiC2 typu MAX

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A method was developed to manufacture Ti3SiC2 MAX phase preforms characterized by open porosity. Samples compacted from elemental powders of Ti, SiC and C with the molar ratio of 3:1.2:1 were heated and synthesized in a microwave field under atmospheric pressure. As this particular composition of elements exhibits rather low reactivity, it was necessary to apply the “coupled” mode of the SHS method. The initiated synthesis first proceeded with the formation of Si-Ti intermetallic and TiC precipitates, whose highly exothermic reactions resulted in a significant increase in temperature to ca. 1800°C. Next, these phases were almost completely transformed into a plate-like Ti3SiC2 MAX phase forming the porous structure of the samples. Although the majority of the synthesized material consisted of Ti3SiC2, some inclusions such as TiSi2, TiC and SiC were also found and identified in the material by the means of scanning electron microscopy and XRD analysis. The manufactured preforms can be used for components working in extreme conditions (heat exchangers, catalyst substrates, filters) or as a reinforcement for composite materials.

PL

Opracowano metodę wytwarzania preform fazy Ti3SiC2 typu MAX o porowatości otwartej. Sprasowane z proszków elementarnych Ti, SiC i C w stosunku molowym 3:1.2:1 próbki ogrzewano i syntetyzowano w polu mikrofalowym pod ciśnieniem atmosferycznym. Ponieważ ta szczególna kompozycja pierwiastków wykazuje relatywnie niską reaktywność, konieczne było zastosowanie "sprzężonego" trybu metody SHS. Po inicjacji syntezy jako pierwsze wytworzone zostają fazy: Si-Ti i TiC, pomiędzy którymi zachodzą wysoce egzotermiczne reakcje powodujące gwałtowny wzrost temperatury do ok. 1800°C. Następnie fazy te są niemal całkowicie przekształcane w płytkowe wydzielenia fazy Ti3SiC2 typu MAX, formując jednocześnie porowatą strukturę kształtek. Pomimo faktu, iż w przeważającej część otrzymany materiał stanowiło Ti3SiC2, znaleziono w nim również niewielkie ilości wtrąceń, które za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) oraz analizy składu chemicznego metodą dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) zidentyfikowano jako TiSi2, TiC i SiC. Wytworzone preformy mogą znaleźć zastosowanie w budowie elementów pracujących w ekstremalnych warunkach (wymienniki ciepła, katalizatory, filtry) lub jako wzmocnienia materiałów kompozytowych.

Słowa kluczowe

EN

MAX phases; SHS synthesis; microwave; porous microstructure

PL

fazy MAX; synteza SHS; mikrofale; porowata mikrostruktura

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2018
• Tom: R. 18, nr 4
• Strony: 241--244
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys.

Twórcy

autor

Dmitruk A.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Chair of Foundry, Plastics and Automation, ul. I. Łukasiewicza 5, 50-371, Wrocław, Poland

autor

Naplocha K.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Chair of Foundry, Plastics and Automation, ul. I. Łukasiewicza 5, 50-371, Wrocław, Poland

autor

Lagos M.

• 2 - Tecnalia TECNALIA, Parque Científico y Tecnológico de Gipuzkoa, Mikeletegi Pasealekua 2, E20009, San Sebastián, Spain

autor

Egizabal P.

• 2 - Tecnalia TECNALIA, Parque Científico y Tecnológico de Gipuzkoa, Mikeletegi Pasealekua 2, E20009, San Sebastián, Spain

autor

Grzęda J.

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Chair of Foundry, Plastics and Automation, ul. I. Łukasiewicza 5, 50-371, Wrocław, Poland

Bibliografia

• [1] Barsoum M.W., MAX Phases: Properties of Machinable Ternary Carbides and Nitrides, Wiley-VCH 2013.
• [2] Jeitschko W., Nowotny H., Die Kristalstructur von Ti3SiC2 - Ein Neuer Komplxcarbid-Typ, Monatshefte fur Chemie 1967, 98, 329-337.
• [3] Barsoum M.W., El-Raghy T., Rawn C.J., Porter W.D., Wang H., Payzant E.A., Hubbard C.R., Thermal properties of Ti3SiC2, Journal of Physics and Chemistry of Solids 1999, 60, 429-439.
• [4] Kisi E.H., Crossley J.A.A., Myhra S., Barsoum M.W., Structure and crystal chemistry of Ti3SiC2, Journal of Physics and Chemistry of Solids 1998, 59, 9, 1437-1443.
• [5] Zhou C.L., Ngai T.W.L., Lu L., Li Y.Y., Fabrication and characterization of pure porous Ti3SiC2 with controlled porosity and pore features, Materials Letters 2014, 131, 280-283.
• [6] El Saeed M.A., Deorsola F.A., Rashad R.M., Influence of SPS parameters on the density and mechanical properties of sintered Ti3SiC2 powders, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 2013, 41, 48-53.
• [7] El Saeed M.A., Deorsola F.A., Rashad R.M., Optimization of the Ti3SiC2 MAX phase synthesis, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 2012, 35, 127-131.
• [8] Khoptiar Y., Gotman I., Ti2AlC ternary carbide synthesized by thermal explosion, Materials Letters 2002, 57, 72-76.
• [9] Wang X.H., Zhou Y.C., Layered machinable and electrically conductive Ti2AlC and Ti3AlC2 ceramics: a Review Journal of Materials Science and Technology 2010, 26, 5, 385-416.
• [10] Radhakrishnan R., Williams J.J., Akinc M., Synthesis of high-temperature stability of Ti3SiC2, Journal of Alloys and Compounds 1999, 285, 85-88.
• [11] Pampuch R., Lis J., Stobierski L., Tymkiewicz M., Solid combustion synthesis of Ti3SiC2, Journal of European Ceramic Society 1989, 5, 283-287.
• [12] Naplocha K., Granat K., Preparation of porous Al2O3-Ti-C preform by combustion synthesis, Archives of Foundry Engineering 2009, 9, 2, 69-72.
• [13] Naplocha K., Granat K., Combustion synthesis of Al-Ni compounds in microwave reactor, Archives of Foundry Engineering 2008, 8, 4, 153-156.
• [14] Naplocha K., Granat K., Synthesis of Ti-Al porous preform, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing 2008, 26, 2, 203-206.
• [15] Naplocha K., Materiały kompozytowe umacniane preformami wytworzonymi w procesie wysokotemperaturowej syntezy w polu mikrofalowym, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
• [16] Dmitruk A., Naplocha K., Microwave assisted self-propagating high-temperature synthesis of Ti2AlC max phase, Composites Theory and Practice 2016, 16, 2, 109-112.
• [17] Dmitruk A., Naplocha K., Tribological properties of Al matrix composites reinforced with MAX type phases, Composites Theory and Practice 2017, 17, 2, 92-96.
• [18] Merzhanov A.G., Thermally coupled SHS reactions, International Journal of Self-propagating High-temperature Synthesis 2011, 20, 1, 61-63.
• [19] Kharatyan S.L., Merzhanov A.G., Coupled SHS reactions as a useful tool for synthesis of materials: an overview, International Journal of Self-propagating High-temperature Synthesis 2012, 21, 1, 59-73.
• [20] Yeh C.L., Shen Y.G., Effects of SiC addition on formation of Ti3SiC2 by self-propagating high temperature synthesis, Journal of Alloys and Compounds 2008, 461, 654-660.
• [21] Chen X., Bei G., Toughening mechanisms in nanolayered MAX phase ceramics - a review, Materials 2017, 10, 366, 1-12.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).