一种MAX相陶瓷-金属层状复合材料、制备方法和用途技术

技术编号:20318076 阅读:52 留言:0更新日期:2019-02-13 01:28
本发明专利技术涉及一种MAX相陶瓷‑金属层状复合材料、制备方法和用途,所述MAX相陶瓷‑金属层状复合材料包括n层叠加单元,每个所述叠加单元均包括金属箔层和附着在金属箔层上的MAX相陶瓷层,所述n≥2。所述MAX相陶瓷‑金属层状复合材料是以Ti2AlC粉和金属箔为原料,涂覆有MAX相陶瓷颗粒的金属箔叠加制得预产品,然后将预产品加压热处理,即得到MAX相陶瓷‑金属层状复合材料。所述的MAX相陶瓷‑金属层状复合材料用于载运工具领域、输变电领域或军工材料领域。

A MAX-phase ceramic-metal laminated composite, its preparation method and Application

The invention relates to a MAX phase ceramics metal layered composite material, a preparation method and a use thereof. The MAX phase ceramics metal layered composite material comprises N layered elements, each of which includes a metal foil layer and a MAX phase ceramic layer attached to the metal foil layer, the n > 2. The MAX phase ceramic-metal laminated composite material is prepared from Ti2AlC powder and metal foil by superposition of metal foil coated with MAX phase ceramic particles, and then the pre-product is heat-treated under pressure to obtain the MAX phase ceramic-metal laminated composite material. The MAX phase ceramics and metal laminated composites are used in the fields of vehicles, power transmission and transformation, or military materials.

【技术实现步骤摘要】
一种MAX相陶瓷-金属层状复合材料、制备方法和用途
本专利技术属于复合材料领域,具体涉及一种MAX相陶瓷-金属层状复合材料及其制备方法和用途,所述MAX相陶瓷-金属层状复合材料用于载运工具材料领域、输变电领域或军工材料领域。
技术介绍
MAX相陶瓷是一类三元层状陶瓷的通称,M为过渡元素,A为III或IV主族中的某些元素,X为C或N。所有MAX相陶瓷化合物的原子结合方式既有共价键、离子键又有金属键,因而兼有金属和陶瓷的性质,如类似金属的导热、导电性、抗热震性和可加工性,类似陶瓷的抗氧化性、耐磨性、自润滑性、耐腐蚀性和耐高温性。因此,在许多领域具有重要的应用价值。金属具有优异的导电、导热、耐腐蚀及易延展等性能,因此被广泛应用在电力电子、机械制造等领域。但金属的强度低、硬度低,耐热性差和耐磨性差,限制了它的使用条件和寿命。为了能在不过多牺牲导电性和导热性的前提下改善金属的力学性能,许多人曾经尝试将MAX相陶瓷和金属复合以达到增强金属性能的目的。CN103085395A公开了一种Cu-Ti2AlC功能梯度材料的制备方法,所述方法制备的梯度材料一侧为纯Cu或主要成分为Cu的复合材料,另一侧为纯Ti2AlC或主要成分为Ti2AlC的复合材料,中间层数为1~4层,随厚度方向,Cu与Ti2AlC的含量呈梯度变化,并伴随性能逐渐变化。所述材料是通过以Cu与Ti2AlC粉末为原料,均匀混合后分层装料,在一定气氛下采用热压烧结制备,烧结温度为800~1000℃,升温速率为8~20℃/min,压力为20~40MPa,保温0.5~3小时。所述的梯度材料对于满足不同接触面具备不同使用性能的特殊环境具有重要意义,但只适用于特殊环境无法大规模使用。CN101028749B公开了一种(Cu-Al)/(Ti3C2-Cu-Al)层状复合材料及其制备方法,所述材料具有Ti3C2-Cu-Al金属陶瓷层和Cu-Al合金层交替叠合的层状结构,而Ti3C2-Cu-Al金属陶瓷层和Cu-Al合金层是由Ti3AlC2与Cu发生化学反应而原位形成的。所述材料是以Ti3AlC2粉和Cu粉为原料,逐层交替铺设后冷压成层状坯体,然后将坯体置于高温炉内,在氩气保护下,将炉温升至1100~1200℃,保温15~60min后冷却,即得到层状复合材料。所述材料具有良好的耐磨和耐冲击载荷的能力,但其抗拉强度性能不佳。CN102206771A公开了一种受电弓滑板复合材料及其制备方法,所述复合材料是由铜粉和陶瓷颗粒制得的,其中陶瓷颗粒表面具有化学镀铜层。将表面具有化学镀铜层的陶瓷颗粒和铜粉混合得混合物料,然后将混合物料经热压烧结工艺或者热压烧结和热挤压结合工艺处理后即可。所制备的复合材料内部Ti3AlC2陶瓷颗粒分布均匀,但其抗拉强度性能不佳。所以本领域需要开发一种新型MAX相陶瓷-金属复合材料,使其具有良好的拉伸强度、压缩强度、延展性、导电性及导热性等优点,并适于工业化生产。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术的目的之一在于提供一种MAX相陶瓷-金属层状复合材料,所述MAX相陶瓷-金属层状复合材料包括n层叠加单元,每个所述叠加单元均包括金属箔层和附着在所述金属箔层上的MAX相陶瓷层,所述n≥2,例如5、10、30、50、100、200、500等。本专利技术采用MAX相陶瓷与金属箔相复合,将MAX相陶瓷层与金属箔间隔设置。金属赋予所述复合材料优良的导电性、机械延展性和拉伸强度,在金属箔层上涂覆MAX相陶瓷材料后,进行叠加,能够获得类似于贝壳的硬相(文石片)和软相(有机质)交替层叠排列形成“砖-泥”复合结构,赋予所述复合材料较高的强度和韧性,相对于增强相均匀弥散分布的复合材料,该结构具有更高的机械强度。此外,由于复合材料为金属箔与MAX相陶瓷相互间隔叠加,使得其沿着层面方向有连续金属层存在,垂直层面方向有连续MAX相陶瓷层阻隔,所以复合材料具备各向(沿层面方向和垂直于层面方向)异性的拉伸强度、压缩强度、延展性、及导电性等。本专利技术所述MAX相陶瓷-金属层状复合材料的结构具有多层金属箔层和多层MAX相陶瓷层,且所述金属箔层和MAX相陶瓷层交替设置,形成金属箔层-MAX相陶瓷层-金属箔层-MAX相陶瓷层-金属箔层-MAX相陶瓷层-……的层状结构材料。在本专利技术所述的MAX相陶瓷-金属层状复合材料中,所述金属箔层-MAX相陶瓷层为一个叠加单元。本专利技术所述n的厚度不做具体限定,本领域技术人员可以根据要求的厚度对n进行选择。优选地,本专利技术所述n≥10,优选n≥20,进一步优选n≥50,最优选50≤n≤100。优选地,本专利技术所述金属箔包括铜箔和/或镍箔。优选地,所述每个叠加单元中,MAX相陶瓷的体积含量为5%~30%,例如5%、10%、15%、22%、25%、28%、30%等。MAX相陶瓷的体积含量过小,达不到足够的增强效果,体积含量过大,复合材料脆性增大,导电性能严重下降。优选地,所述每个叠加单元中,MAX相陶瓷层厚度为2~16μm,例如2μm、5μm、7μm、10μm、13μm、15μm、16μm等。MAX相陶瓷层厚度小于2μm时,在后续的热处理过程中该层容易因周围金属原子的扩散而破坏,MAX相陶瓷层厚度大于16μm时,MAX相陶瓷层层内结合力弱。优选地,所述每个叠加单元中,金属箔层厚度为9~80μm,例如9μm、15μm、27μm、30μm、43μm、55μm、67μm、80μm等。金属箔层厚度小于9μm时,在后续热处理过程中易变形破损,难以维持连续的形态,金属箔层厚度大于80μm时,折叠及裁剪等后续工艺困难。优选地,本专利技术所述MAX相陶瓷包括312相MAX相陶瓷、211相MAX相陶瓷和413相MAX相陶瓷中的任意一种或至少两种的组合。优选地,所述312相MAX相陶瓷包括Ti3AlC2、Ti3SiC2和Ti3SnC2中的任意一种或至少两种的组合。优选地,所述211相MAX相陶瓷包括Ti2AlC、Ti2AlN、Nb2AlC、Ti2AlN0.5C0.5、Cr2AlC、Ti2SnC和Nb2SnC中的任意一种或至少两种的组合。优选地,所述413相MAX相陶瓷包括Ti4AlC3和/或Nb4AlC3。本专利技术的目的之二是提供一种MAX相陶瓷-金属层状复合材料的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:(1)将MAX相陶瓷颗粒悬浮液涂覆在金属箔上;(2)将涂覆有MAX相陶瓷颗粒的金属箔叠加,并除去MAX相陶瓷颗粒悬浮液中的分散剂,得到预产品;(3)将预产品加压热处理,制得MAX相陶瓷-金属层状复合材料。本专利技术采用MAX相陶瓷与金属箔间隔叠加的方式制备多层复合材料,层与层之间排列有序(均为金属层-MAX相陶瓷层-金属层-MAX相陶瓷层-金属层-MAX相陶瓷层-……的层状结构材料),MAX相陶瓷-金属层状复合材料每个叠加单元中MAX相陶瓷层厚度相差很小(例如厚度偏差≤5μm)。制备的MAX相陶瓷-金属层状复合材料具有良好的均匀性和有序性,制备方法具有简单易行及操作环节温度低等优点。优选地,本专利技术步骤(1)所述MAX相陶瓷颗粒悬浮液浓度为5wt%~20wt%,例如5wt%、7wt%、10wt%、12wt%、15wt%、20wt%等。MAX相陶瓷颗粒悬浮液浓度过高,容易造成涂覆厚度不均匀,浓度过低,容易造成本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种MAX相陶瓷‑金属层状复合材料,其特征在于,所述复合材料包括n层叠加单元,每个所述叠加单元均包括金属箔层和附着在所述金属箔层上的MAX相陶瓷层,所述n≥2。

【技术特征摘要】
1.一种MAX相陶瓷-金属层状复合材料,其特征在于,所述复合材料包括n层叠加单元,每个所述叠加单元均包括金属箔层和附着在所述金属箔层上的MAX相陶瓷层,所述n≥2。2.如权利要求1所述的复合材料,其特征在于,所述n≥10,优选n≥20,进一步优选n≥50,最优选50≤n≤100。3.如权利要求1或2所述的复合材料,其特征在于,所述金属箔包括铜箔和/或镍箔;优选地,所述每个叠加单元中,MAX相陶瓷的体积含量为5%~30%;优选地,所述每个叠加单元中,MAX相陶瓷层平均厚度为2~16μm;优选地,所述每个叠加单元中,金属箔层厚度为9~80μm。4.如权利要求1-3之一所述的复合材料,其特征在于,所述MAX相陶瓷包括312相MAX相陶瓷、211相MAX相陶瓷和413相MAX相陶瓷中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述312相MAX相陶瓷包括Ti3AlC2、Ti3SiC2和Ti3SnC2中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述211相MAX相陶瓷包括Ti2AlC、Ti2AlN、Nb2AlC、Ti2AlN0.5C0.5、Cr2AlC、Ti2SnC和Nb2SnC中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述413相MAX相陶瓷包括Ti4AlC3和/或Nb4AlC3。5.一种如权利要求1-4之一所述的一种MAX相陶瓷-金属层状复合材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括如下步骤:(1)将MAX相陶瓷颗粒悬浮液涂覆在金属箔上;(2)将涂覆有MAX相陶瓷颗粒的金属箔叠加,并除去MAX相陶瓷颗粒悬浮液中的分散剂,得到预产品;(3)将预产品加压热处理,制得MAX相陶瓷-金属层状复合材料。6.如权利要求5所述的复合材料制备方法,其特征在于,步骤(1)所述MAX相陶瓷颗粒悬浮液中,MAX相陶瓷颗粒的浓度为5wt%~20wt%;优选地,所述MAX相陶瓷颗粒悬浮液中的分散剂包括PVA水溶液、PMMA苯甲醚溶液、聚乙二醇和环己烷中的任意一种或至少两种的组合;优选地,所述金属箔层厚度为6~400μm;优选地,所述MAX相...

【专利技术属性】
技术研发人员:王钰司鹏超
申请(专利权)人:中国科学院过程工程研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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