(Ti,V)3AlC2-Al2O3復(fù)合材料的制備及Ti3C2二維結(jié)構(gòu)的腐蝕研究.pdf

1、三元層狀構(gòu)造的碳化物Ti3AlC2綜合了金屬與陶瓷的共同優(yōu)點(diǎn)，如低密度，高強(qiáng)度，杰出的導(dǎo)電性及耐高溫性能等，可以被用在航天，潛艇，汽車等工業(yè)領(lǐng)域，是未來材料研究的一個(gè)熱門方向。但其本身的反常的低硬度和強(qiáng)度限制它的應(yīng)用范圍，為了能夠提高Ti3AlC2的強(qiáng)度，本論文研究采取原位熱壓技術(shù)聯(lián)合固溶強(qiáng)化及Al2O3第二相增強(qiáng)來提高Ti3AlC2材料的性能。本文以碳化鈦-鈦-鋁-釩及碳化鈦-鈦-鋁-五氧化二釩為兩種起始物料，通過原位熱壓技術(shù)分別在1

2、400℃與1350℃下熱壓2h合成出了(Ti1-x,Vx)3AlC2固溶體材料及(Ti,V)3AlC2/Al2O3復(fù)合材料。通過結(jié)合DSC與XRD技術(shù)分析了其反應(yīng)機(jī)理，通過SEM，EDS等手段對(duì)其顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試表，分析了V元素固溶強(qiáng)化及Al2O3第二相顆粒強(qiáng)化的作用。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴(Ti1-x,Vx)3AlC2固溶體材料的合成的研究表明，用 V取代 Ti合成(Ti1-x,Vx)3AlC2固溶體，由于V原子小于Ti

3、原子的原子半徑，從而導(dǎo)致合成的(Ti1-x,Vx)3AlC2的晶胞參數(shù)逐漸減小，密度逐漸降低。隨著V摻雜量增加，(Ti1-x,Vx)3AlC2固溶體的力學(xué)性能發(fā)生改變，(Ti0.85,V0.15)3AlC2固溶體的硬度，彎曲強(qiáng)度及斷裂韌性分別為：5.21GPa，507MPa，8.57MPa/m1/2，相比于同樣工藝合成的Ti3AlC2單相材料，其性能分別提高了31％，19%和37%。⑵(Ti,V)3AlC2/Al2O3復(fù)合材料的研究表明

4、，合成(Ti,V)3AlC2/Al2O3復(fù)合材料的反應(yīng)過程中V2O5與Al的鋁熱反應(yīng)釋放大量的熱能，降低了復(fù)合材料的合成溫度。原位反應(yīng)生成的Al2O3第二相增沿著基體相的晶界均勻散布，與基體相的結(jié)合緊密，復(fù)合材料中裂紋的擴(kuò)展，使材料中呈現(xiàn)了裂紋偏轉(zhuǎn)，橋連等能量消耗模式，從而提高了它的斷裂韌性。當(dāng)復(fù)合材料中Al2O3的含量超過10wt.%時(shí)會(huì)呈現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，反而材料的性能出現(xiàn)下降。(Ti0.92,V0.08)AlC2/10wt.%Al2O3

5、的維氏硬度，斷裂韌性及抗彎強(qiáng)度與分別達(dá)到5.56GPa，12.93 MPa.m1/2，535MPa，與同樣工藝合成的單相 Ti3AlC2材料相比其性能分別提高了60%，108%與31%。⑶MXene是MAX材料經(jīng)過化學(xué)腐蝕的方法獲得的一類金屬碳/氮化物，可以被用在電子領(lǐng)域，復(fù)合材料，儲(chǔ)能等領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)對(duì)Ti3AlC2粉體使用HF， NaOH及HCl+LiF的溶液采取腐蝕，研究了腐蝕時(shí)間，溫度對(duì)腐蝕過程的影響，并對(duì)(Ti1-x,Vx)3Al

6、C2固溶體材料使用HF進(jìn)行腐蝕，探索了不同M-X鍵對(duì)層狀材料腐蝕的影響，得到如下結(jié)果：常溫下HF對(duì)Ti3AlC2粉體進(jìn)行腐蝕，經(jīng)過10h基本腐蝕完畢，得到比較完整的“風(fēng)琴狀”的Ti3C2二維材料，進(jìn)一步增加腐蝕時(shí)間則會(huì)破壞Ti3C2的結(jié)構(gòu)；提高溫度能提高腐蝕速率，但同時(shí)也會(huì)增加材料表面氧化的現(xiàn)象。經(jīng)過NaOH腐蝕的Ti3AlC2粉體其基本沒有發(fā)生改變，證明Ti3AlC2在NaOH中有較好的耐腐蝕性；HCl+LiF的溶液中Ti3AlC2被

7、腐蝕，得到疏松的“風(fēng)琴狀”Ti3C2結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過更長時(shí)間。⑷HF對(duì)(Ti1-x,Vx)3AlC2材料進(jìn)行腐蝕，由于 V-Al的化學(xué)鍵相比于 Ti-Al更加牢固，隨著(Ti1-x,Vx)3AlC2前驅(qū)物材料中V含量的提高，腐蝕的難度逐漸增加。(Ti0.05V0.95)3AlC2需要經(jīng)過大約40h腐蝕才能得到二維結(jié)構(gòu)的(Ti0.05V0.95)3C2材料。⑸經(jīng)過HCl+LiF獲得的Ti3C2材料，部分Li離子和水分子更多的進(jìn)入了Ti3C2的