Ti2AlN三元陶瓷的制備及其腐蝕剝離行為研究.pdf

1、MAX相陶瓷是一類具有納米層狀結(jié)構(gòu)的化合物，基于其A位原子的選擇性腐蝕可以制備出一系列結(jié)構(gòu)相似的二維納米材料(MXene材料)，該類材料在鋰離子電池、超級(jí)電容器等領(lǐng)域有潛在的開(kāi)拓價(jià)值和應(yīng)用前景。Ti2AlN是MAX相中氮化物陶瓷的典型代表，如何快速、低成本制備純度高、粒徑小的此種陶瓷是其后續(xù)腐蝕剝離的基礎(chǔ)?；诖?，本論文將首先探索Ti2AlN陶瓷新的合成方法，然后對(duì)其在液相介質(zhì)中的腐蝕剝離行為展開(kāi)研究。
　　以Ti粉、Al粉和Ti

2、N粉為起始原料，首先按照一定配比混料并壓制成坯，再將其直接讓入預(yù)加熱溫度為650℃～850℃的空氣爐中進(jìn)行熱爆反應(yīng)。保溫2～5min后取出得到反應(yīng)產(chǎn)物。利用XRD，F(xiàn)ESEM及HRTEM對(duì)其相組成及微觀的形貌進(jìn)行了分析，研究了原料配比及粒徑、預(yù)加熱溫度、壓坯厚度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)Ti2AlN微觀結(jié)構(gòu)及純度的影響規(guī)律，提出了熱爆反應(yīng)過(guò)程中Ti2AlN的形成機(jī)制。結(jié)果表明:隨著Al含量的增加，Ti2AlN純度提高;反之Al含量過(guò)高，因反

3、應(yīng)的最高溫度降低，導(dǎo)致其純度降低。熱爆反應(yīng)在650℃即可點(diǎn)燃，但產(chǎn)物中雜相較多。當(dāng)溫度升高至700℃甚至更高，產(chǎn)物中TiN仍無(wú)法徹底除掉。盡管壓坯厚度大放出熱量多，由于熱爆反應(yīng)時(shí)間短，壓坯越厚粉體之間熱傳遞耗時(shí)長(zhǎng)不利于反應(yīng)的進(jìn)行。此外，壓坯的壓力、保溫的時(shí)間等對(duì)熱爆反應(yīng)影響較小。本研究以Ti∶Al∶TiN=1∶1.05∶1的摩爾比配料，當(dāng)預(yù)熱溫度為700℃，保溫2 min，預(yù)壓片的壓力為2 MPa，預(yù)壓片厚度為2mm時(shí)合成純度較高的層狀

4、結(jié)構(gòu)Ti2AlN陶瓷。其形成機(jī)制可分為兩個(gè)階段:首先，Ti粉、Al粉反應(yīng)形成Ti-Al化合物并在較短的時(shí)間內(nèi)釋放出巨大熱;其次，TiN熔解進(jìn)入Ti-Al熔體中形成Ti2AlN晶核，并隨體系溫度降低析出層狀結(jié)構(gòu)的Ti2AlN材料。
　　以不同濃度的氫氟酸為腐蝕介質(zhì)，以合成的Ti2AlN為腐蝕剝離對(duì)象，在常溫下對(duì)其進(jìn)行了腐蝕剝離。并以鹽酸、乙酸、丙酮、二甲基甲酰胺(DMF)等為介質(zhì)，在機(jī)械球磨作用下進(jìn)行了腐蝕剝離。利用XRD及FESE

5、M對(duì)不同工藝下腐蝕產(chǎn)物的相組成及微觀形貌進(jìn)行了分析，研究了介質(zhì)種類、濃度、球磨對(duì)腐蝕剝離過(guò)程的影響。結(jié)果表明:Ti2AlN在濃度為2％的HF溶液中，反應(yīng)2h，有氣泡產(chǎn)生，產(chǎn)物為厚度大約為2-5 nm的薄片，這說(shuō)明HF溶液的濃度過(guò)低或過(guò)高、反應(yīng)時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)都不能或使得Ti2AlN腐蝕剝離不徹底或者過(guò)腐蝕導(dǎo)致其產(chǎn)物進(jìn)一步被氧化。采用球磨腐蝕剝離，產(chǎn)物是片狀的Ti2AlN。
　　以不同濃度的鹽酸、硫酸、硝酸、氫氧化鋰、氫氧化鈉等溶液為

6、腐蝕介質(zhì)，以合成的Ti2AlN為腐蝕剝離對(duì)象，在水熱條件下進(jìn)一步研究了其腐蝕剝離行為。利用XRD及FESEM對(duì)不同工藝下腐蝕產(chǎn)物的相組成及微觀形貌進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:Ti2AlN抗酸的腐蝕能力弱于抗堿的腐蝕能力。同時(shí)，在水熱條件下Ti2AlN晶格中的Al層原子和Ti層原子均與酸/堿中的H+/OH-發(fā)生了反應(yīng)，進(jìn)而破壞了其層狀晶格結(jié)構(gòu)。在SO42-，Cl-，NO3-離子的作用下，最終生成了不同晶型的TiO2;在堿溶液中最終生成了鈦酸鹽納