三元層狀氮化物Ti-,2-AlN材料的合成及性能研究.pdf

1、作為一類十分重要的新型陶瓷材料，三元層狀化合物一直被材料研究工作者所關(guān)注。通式為M<,n+1>AX<,n>(MAX)的這類三元層狀化合物的結(jié)構(gòu)相似，其中M為早期的過渡金屬，A表示的是同一族的元素(絕大多的情況為IIIA和IVA族)，而X是C或N。在這類化合物中，過渡金屬的碳化物或氮化物層的密排面和純A組元素層交叉存在。在M<,2>AX相中，每三層就有一層純A組元素層。代表化合物有Ti<,2>AlN和Ti<,2>AlC。Ti<,2>AlN

2、的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶系，空間群為P6<,3>/mmc(這為MAX系所共有)，既具有金屬的性能，在常溫下，有很好的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，有較低的維氏顯微硬度和較高的彈性模量和剪切模量，像金屬一樣可進(jìn)行機(jī)械加工，并在較高溫下具有塑性，同時(shí)它又具有陶瓷的性能，有較高的屈服強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能。雖然同時(shí)作為M<,2>AX相(又稱為H相)中典型代表化合物，但是由于Ti<,2>AIN所處的Ti-Al-N系的化合物較多，有Ti<,2

3、>AlN、Ti<,3>Al<,2>N<,2>、Ti<,3>AlN<,2>和Ti<,4>AlN<,3>等之多，生成的Ti<,2>AlN伴隨有大量附產(chǎn)物，難以做到可控合成，同時(shí)但由于合成技術(shù)的限制，一直沒有得到理想的結(jié)果。所以和Ti<,2>AlC相比，有關(guān)Ti<,2>AlN的研究少之又少。到目前為止，已報(bào)道的有關(guān)Ti<,2>AlN制備的方法均采用熱等靜壓的方法，但是合成時(shí)間長(zhǎng)，成本相對(duì)其他同類材料高。因此本文探索性地研究了Ti<,2>AlN

4、的制備，得到了高純度塊體Ti<,2>AlN的簡(jiǎn)便方法。同時(shí)對(duì)制備材料的微觀結(jié)構(gòu)，力、電、熱性能，以及高溫氧化性能進(jìn)行了研究。 30MPa壓力，Ar保護(hù)氣氛下，熱壓摩爾比為玎(TiN):n(Ti):n(Al)=1.0:1.0:1.0的混合粉末可以得到單質(zhì)致密的Ti<,2>AlN塊體材料。同時(shí)，以相同的摩爾比的混合粉末用SPS設(shè)備可以得到更致密的單質(zhì)Ti<,2>AlN塊體材料。同時(shí)對(duì)不同溫度的產(chǎn)物的XRD圖的相成分分析，知道Ti-A

5、l-TiN系統(tǒng)的反應(yīng)大致可分為兩個(gè)階段：熱壓溫度在900℃之前，Ti和Al的反應(yīng)生成TiAl金屬間化合物；燒結(jié)溫度達(dá)到900℃以后，TiAl金屬間化合物和TiN反應(yīng)合成Ti<,2>AlN材料。通過保溫階段，三元Ti<,2>AlN長(zhǎng)成層狀多晶結(jié)構(gòu)，同時(shí)材料致密化。 在第四章中，研究了Ti<,2>AlN材料的部分力學(xué)性能、電性能以及常溫下在酸和稀氫氧化鈉溶液中的腐蝕行為。晶粒尺寸為10～15μm的’Ti<,2>AlN材料的彎曲強(qiáng)度，

6、斷裂韌性和Vickers硬度分別為300MPa，4.5MPa·m<'1/2>，4,0GPa。低硬度和抗破壞能力保證了陶瓷中很少見的可加工性。同時(shí)Ti<,2>AlN材料具有良好的導(dǎo)電性能，在25℃時(shí)的電導(dǎo)率為3.2×10<'6.S·m<'-1>。電阻率隨溫度的升高而變大，具有典型的金屬導(dǎo)體特征，其抗酸腐蝕能力與同類的Ti<,3>SiC<,2>材料差別不大。 在第五章中，通過氧化增重實(shí)驗(yàn)(TGA)，X射線衍射(XRD)，掃描電鏡(S

7、EM)和能譜分析(EDS)對(duì)制備材料的高溫氧化行為進(jìn)行了研究。Ti<,2>AlN在800～1000℃的空氣中恒溫氧化20h和在800～1000℃空氣中循環(huán)氧化30次都符合拋物線規(guī)律。計(jì)算的氧化活化能為614.93kJ/mol。氧化試樣中的制備缺陷和雜質(zhì)相TiN使氧化增重上升。氧化試樣表面形成的由α-Al<,2>O<,3>和TiO<,2>的氧化膜是材料具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能?？偟恼f來，氧化過程由Al<'3+>，Ti<'4+>的向外擴(kuò)散和