Al2O3/Ti2AlN和Al2O3/Ti4AlN3复合材料的制备、 结构与性能

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随着现代工业的发展，传统材料如金属、陶瓷、高分子等，难以满足高技术产业对材料综合性能的需要。近年来发展出的三元层状陶瓷材，也称为MAX相材料。这些材料的共同特性是都具有共价键、金属键和离子键，兼具有陶瓷和金属的性质，如具有导电性，化学稳定性好，熔点高等特点。其弯曲强度和断裂韧性较高，具有良好的抗热震和损伤容限，有良好的工程应用前景。然而单相MAX相材料在某些性能上还存在不足，如硬度低，耐磨性差。从而在一定程度上限制了这类材料的应用空间。本文的主要研究内容是利用Al2O3颗粒提高Ti2AlN和Ti4AlN3材料的强度和高温抗氧化性能，成功制备出含有原位Al2O3颗粒增强相的Ti2AlN和Ti4AlN3基陶瓷复合材料。利用XRD，OM、SEM、TEM等手段研究复合材料的结构特征以及复合材料在室温和高温条件下的力学性能和高温氧化性能。预备粉体包括Al3Ti/TiN纳米粉和以Al3Ti，TiN和TiO2粉末作为原料的混合粉末。 Al3Ti/TiN纳米粉采用氢等离子体-金属反应法（HPMR）制备。工作电压为20-40 V，工作电流为300-600 A，钝化时间在16-200 h之间。研究发现该方法制备的纳米粉中主要含由球形颗粒的Al3Ti和立方形颗粒的TiN相组成，两相分布均匀，平均粒度约为110 nm。在通入的气氛中，氩气起到保护作用；氢气为催化气体，能够提高金属的蒸发率；氮气的含量可以影响对纳米粉的产率，粒度及钝化过程。复合纳米粉中含有少量的单质铝，其含量随母材中Al的含量的增高而增高。混合粉末是以工业上易于大量制备的Al3Ti，TiN和TiO2粉末为原料，采用原位反应热等静压/热压法，在900-1300℃/100-150 MPa/1-4 h的条件下，制备出Al2O3/Ti2AlN复合材料。Al2O3/Ti2AlN复合材料的密度为4.1 g/cm3，致密度为96±0.5%。基体相是具有层结构的Ti2AlN块体，Al2O3颗粒为类球形，弥散分布在Ti2AlN基体内。Al2O3颗粒平均尺寸为3 μm，占体积的20-28%。Al2O3/Ti2AlN复合材料与单相的Ti2AlN材料相比，常温下维氏硬度从4 GPa提高到9 GPa，提高了2.25倍。常温下最大压缩强度从500 MPa提高到1800 MPa，提高了360%。高温压缩性能实验表明，复合材料在高温的最大压缩强度高于单相Ti2AlN。氧化实验表明， Al2O3/Ti2AlN复合材料的抗氧化性能明显强于单相Ti2AlN材料。复合材料在1000℃连续氧化20小时氧化增重为10.4 mg/cm2，不到单相Ti2AlN材料的四分之一。以氢等离子体-金属反应法制备的Al3Ti/TiN复合纳米粉体作为预备粉末，采用热等静压法原位反应制备Al2O3/Ti4AlN3复合材料。复合材料主要由片层结构的Ti4AlN3和颗粒状Al2O3组成。密度为4.08 g/cm2，致密度达到95%。Ti4AlN3的片层的平均厚度为1.5 μm，平均长度为7 μm；Al2O3占总体积的40%左右，粒度分布均匀，平均粒度为1.5 μm。Al2O3/Ti4AlN3复合材料与单相的Ti4AlN3材料相比，显微硬度从2.5 GPa提高到6.7 GPa，提高了268 %，常温下最大压缩强度从450 MPa提高到1800 MPa，提高了400%，最大压缩应变由4 %提高到6.2 %。氧化实验表明Al2O3/Ti4AlN3复合材料具有优良的抗氧化性能，在1100℃/100h条件下的单位面积增重为5.15 mg/cm2。研究发现，该复合材料优良的抗氧化性能主要是因为其表面可以生成致密、均匀的Al2O3层。研究表明Al3Ti/TiN纳米复合粉体在不同温度下可以生成不同的Al2O3/MAX相。在1000-1300℃可以生成Al2O3/Ti2AlN复合材料，而在1300-1400℃可以生成Al2O3/Ti4AlN3复合材料。当温度继续升高后，Ti4AlN3开始分解。结合对Ti4AlN3相、Ti2AlN相以及TiN相的结构分析和实验结果，得到一个可能的分解过程的解释。认为Ti4AlN3先分解成Ti2AlN和TiN，随着温度的升高Ti2AlN相再发生分解生成TiN和富含Al的液相，当温度降低后富含Al的液相形成Al3Ti保留在基体中。