石墨烯/Ti3SiC2新型受电弓滑板材料的研究

曹鸶羽 胡梓荐 陈冠明 柳依一

摘要：本课题通过热压烧结法在烧结温度为1400℃，保温时长为60min的条件下制备了石墨烯Ti3SiC2陶瓷，本次设计所涉及到的实验使用了控制变量的方法，其中以加入的石墨烯的质量作为变量。制备之后对样品进行XRD和SEM分析、抗热震分析、硬度分析、金相分析。分析可知，石墨烯的加入使石墨烯Ti3SiC2陶瓷复合材料效果更优。

关键词：Ti3SiC2;石墨烯;复合材料

列车的高速化、电气化是当今社会轨道交通发展的必然趋势，受电弓滑板作为列车受电弓的关键部件材料，其使用性能需要不断的优化和探索。本文以加入的石墨烯的质量作为变量，制备受电弓滑板样品，并对样品进行大量的实验分析，从而已望获得比以往Ti3SiC2系陶瓷材料更好的强度、导电性、耐冲击性、可加工性的石墨烯/Ti3SiC2 系复合材料。

1.实验

1.1材料与试剂

加石墨烯作为强化相，基体材料为Ti3SiC2陶瓷，制备石墨烯/ Ti3SiC2复合陶瓷材料具体配料方法：TiC：Ti：Si=2：1：1，石墨烯的质量作为变量，具体的质量分数为（0.025%、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%、0.15%、0.175%、0.2%）。

具体配料方案为TiC：Ti：Si=59.88×2：47.87：26.98=119.76：47.87：26.98;受模具尺寸的限制，每次装料时的质量大约为30g左右，所以每次混料时混60g左右的料就可以烧结使用。

1.2实验步骤

⑴将配置好的实验原料与氧化锆磨球按球料比7：1装入混料机球磨瓶中进行球磨，参数设定30r/min，混料时间为72小时，每12小时暂停球磨，释放热量，防止原料在瓶中发生反应，混料操作结束后取出料中的氧化锆磨球，将原料密封好，装入真空包装机中抽真空保存，并记录、编号。

⑵将球磨后粉体的取30g备用，为防止模具被损坏，在粉体装模前需要对模具进行预处理，预处理准备结束后，将30g粉体装入模具中，并将模具放到真空热压烧结炉中进行烧结。

2.结果与讨论

2.1石墨烯的质量分数对生成物物相的影响

将试样切割成3mm×3mm×20mm的长方体，为了保证检测结果的准确，将试样的上表面用砂纸打磨抛光后进行X射线衍射分析，扫描角度从10-90，扫描速度为每分钟10，不同质量分数石墨烯的XRD衍射图谱如图所示。

如图是烧结温度为1400℃、保温时间为50min、真空热压烧结制备的以石墨烯作为强化相的Ti3SiC22复合陶瓷材料XRD衍射图谱。对比图中十条曲线发现，十种配比的石墨烯/ Ti3SiC2复合陶瓷材料的物相基本相同，与标准PDF卡片对比发现，主要物相為Ti3SiC2和TiC，没有发现石墨烯的成分C的的衍射峰，与未加入石墨烯作为强化相的空白对照组试样中的物相相同。

2.2石墨烯的质量分数对生成物显微结构的影响

将切割好的试样用砂纸打磨抛光后用氢氟酸进行腐蚀，进行SEM观察可得：质量分数为0.025%时陶瓷晶粒的平均尺寸大小为15-20μm，形状近似球形，而随着石墨烯质量分数的增加，晶粒的尺寸逐渐减小，当石墨烯的质量分数为0.25%时陶瓷晶粒的平均尺寸为3-7μm，棒状晶粒较多。

2.3石墨烯的质量分数对生成物抗热震性的影响

抗热震性是由于急热而产生冲击内应力，或者说试样的表面和内部不同区域之间的温度差而产生的热应力。实验结果表明在工作环境温度500℃，所有试样的循环次数均超过百次，说明石墨烯/ Ti3SiC2复合陶瓷材料在500℃时具有良好的抗热震性。而后将热振温度提高，每隔100℃进行一次检测，温度在升至900℃的过程中均未出现裂纹，具体的结果如下图2所示。

从图2中可以看出第二组和第七组的抗热震性最好与空白对照组相比，加入石墨烯后的实验组抗热震性能有明显的提高。最高的可达81次，最低的有15次。而热学性能也影响陶瓷的抗热震性能，石墨烯本身具有高热导率，有研究表明石墨烯热膨胀系数接近负值，适量的石墨烯的加入可以降低降低Ti3SiC2陶瓷的热膨胀系数，故可提高陶瓷的抗热震性能。

2.4石墨烯的质量分数对生成物导电性的影响

本实验的最终目的陶瓷基复合受电弓滑板材料。本实验采用的Ti3SiC2，具有优良导电性，而石墨烯组成的元素成分为C，同样具有优良的导电性。但是加入强化相后，可能会由于，孔洞、间隙、晶界、晶粒、第二相粒子等因素的影响，影响材料的导电性。因此材料致密度越高，界面结合越好，第二相粒子越少则材料导电性越好。

由结果可以看出未加强化相的空白组，电阻率最小，加入石墨烯为强化相后，所有实验组的电阻率升高。

3.结论

（1）XRD物相分析结果表明，当石墨烯质量分数为0.05%和0.2%的实验组中Ti3SiC2的含量高于其他实验组。

（2）SEM显微结构分析表明，量分数为0.025%时陶瓷晶粒的平均尺寸大小为15-20μm，石墨烯的质量分数为0.25%时陶瓷晶粒的平均尺寸为3-7μm，且随着石墨烯质量分数的增加，试样的致密度下降。

（3）抗热震性测试结果表明，当石墨烯作为强化相加入时石墨烯质量分数为0.05%和0.175%时试样的抗热震性最好。

（4）导电性测试结果表明，当石墨烯的质量分数为0.075%时电阻率最小。

参考文献：

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作者简介：

曹鸶羽（1999-），女，辽宁沈阳人，沈阳理工大学本科在读，无机非金属方向。