三元層狀碳化物Cr-,2-AlC的制備及性能研究.pdf

1、近年來，三元層狀碳化物和氮化物由于其兼具了金屬和陶瓷材料的諸多優(yōu)異性能而引起了越來越多研究者的關(guān)注，它們被稱為413相、312相或211相，可用化學(xué)式Mn+1AXn(記為MAX，其中M為過渡族金屬，A主要為ⅢA和ⅣA族原子，X是C或N原子)表示。作為MAX體系的一員，計(jì)算材料學(xué)預(yù)報(bào)Cr2AlC具有良好的彈性性能，而且Cr2AlC在氧化過程中可形成抗氧化的Al2O3和Cr2O3保護(hù)層，可以預(yù)期它在較寬溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的抗氧化性能，甚至比

2、Ti3SiC2更優(yōu)異，能夠承受更為惡劣的氧化環(huán)境以及具有更長的氧化壽命。這說明Cr2AlC是一種潛在的有用的新材料。據(jù)此，本課題開展了Cr2AlC塊體材料的制備及性能研究，著重研究合成Cr2AlC的反應(yīng)過程，以及起始原料、組分和工藝參數(shù)對(duì)材料的相含量和致密度的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，利用優(yōu)化的組分和工藝參數(shù)制備了Cr2AlC陶瓷，并報(bào)導(dǎo)了Cr2AlC陶瓷的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、靜態(tài)化學(xué)腐蝕及高溫抗氧化性能。合成Cr2AlC的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程研究

3、結(jié)果表明，以Cr3C2粉代替部分元素單質(zhì)粉作原料，外加Al粉和Cr粉，按照配比n(Cr3C2)：n(Al)：n(Cr)：0.5：1.2：0.5合成Cr2AlC時(shí)，相繼出現(xiàn)的中間相Cr5Al8和Cr2Al。隨著燒結(jié)溫度的升高，Cr-Al金屬間化合物、未反應(yīng)的Cr3C2和Cr之間發(fā)生反應(yīng)，Cr2AlC相的含量逐漸增加；當(dāng)溫度達(dá)1350℃時(shí)中間相消失，樣品為純Cr2AlC相。對(duì)Cr2AlC相的制備研究表明，隨著組分中過量Al的量從10at％增

4、加至30at％，燒結(jié)樣品中Cr2AlC相的含量逐漸增加，而第二相Cr3C2的含量隨之減少，進(jìn)而當(dāng)過量Al的量達(dá)到20at％時(shí)，Cr2AlC成為樣品中唯一的相，與此同時(shí)，樣品的密度隨著過量Al的量增加而減??；對(duì)于固定的組分n(Cr3C2)：n(Al)：n(Cr)=0.5：1.2：0.5，1350℃熱壓2h制得的樣品中有主相Cr2AlC和少量Cr3C2，進(jìn)一步升高溫度到1500℃，Cr2AlC有分解的跡象，樣品的密度也減小；隨保溫時(shí)間0.5

5、h增加到2h，Cr2AlC峰增強(qiáng)雜質(zhì)峰減弱，但對(duì)密度的影響甚微。Cr2AlC樣品的維氏硬度，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為4.7～5.2GPa，498MPa和627MPa，這與Ti3AlC2和Nb2AlC的性能相當(dāng)。對(duì)Cr2AlC樣品的熱學(xué)和電學(xué)性能的研究結(jié)果表明，Cr2AlC樣品的熱導(dǎo)在室溫到600℃之間隨著溫度增加而略有上升。在300K～900K溫度區(qū)間，Cr2AlC樣品的電阻率隨著溫度升高而線性增加，這是一種金屬導(dǎo)電特征，說明Cr2Al

6、C材料是電子導(dǎo)電。樣品在室溫至1300℃溫度區(qū)間的平均熱膨脹系數(shù)、200℃熱導(dǎo)、室溫?zé)崛菀约半妼?dǎo)率分別為1.36×10-5K-1、13.35W/m·K、619J/kg·K和1.6×106S·m-1。Cr2AlC在酸堿中的靜態(tài)化學(xué)腐蝕行為表明，在濃HCl中的腐蝕率最大，在NaOH中腐蝕率最小，其耐堿腐蝕性能比耐酸腐蝕性能要好的多。Cr2AlC樣品在1000℃～1200℃氧化循環(huán)30次后Cr2AlC表面生成致密的氧化層，由兩層組成：外層為A