高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法技术

本发明专利技术涉及陶瓷材料领域，具体为一种高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法。原料采用MAX相陶瓷的纳米片层粉体或纳米片层粉体构成的胚体，粉体或胚体中MAX相陶瓷的纳米片层颗粒物满足粒度在20～400纳米之间，氧含量在0.0001％～20％质量分数之间；原料经烧结后的得到陶瓷中MAX相晶粒为片层状或纺锤状，片层的具有高度取向性。本发明专利技术利用纳米片层状MAX粉体的特殊性质，在加压变形发生取向的，获得类似天然珍珠外壳中的层状结构，这种结构就如同建筑物所使用的砖块一样，具有很高的承力能力，以及对外部载荷和裂纹扩展的抗力。

【技术实现步骤摘要】
高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法
本专利技术涉及陶瓷材料领域，具体为一种高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法。
技术介绍
MAX相陶瓷(如：Ti3SiC2、Ti2AlC、Nb2AlC等)是一类具有纳米三元层状结构和众多独特优异性质的可加工陶瓷，其晶体结构特征可描述为：在结晶密堆的M原子钟插入纯A原子层，X原子填入M组成的八面体间隙内。其中，M原子指代过渡族金属元素，A原子是一种A族元素，X原子可以是C和N元素。这种晶体结构的陶瓷同时具有共价键、金属键、离子键，所以兼具陶瓷和金属的性质。如：陶瓷材料的高熔点、抗氧化和抗腐蚀能力、金属的导电性、可加工性、损伤容抗、抗热冲击等性能，纳米陶瓷的耐辐射损伤性。然而，作为结构陶瓷材料使用，MAX相陶瓷确存在着强度低于大部分致密的工程陶瓷，如：氧化陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等。虽然MAX相陶瓷由于其具有纳米层状结构使其断裂韧性强于大部分陶瓷材料，然而这种层状结构仅限于晶粒内部，其晶粒取向由于反应合成中形核位点多且生长方向无明显取向性，导致宏观晶粒上无取向，断裂韧性无法大幅度提高。同时大部分MAX相陶瓷由于反应合成温度很高，反应合成的晶粒非常粗大。而且作为可以自蔓延燃烧合成的材料，反应合成中放出大量的热，导致反应不可控反应副产物多，晶粒大小控制非常困难，难以通过反应控制获得致密度高，力学及抗氧化性优良的纳米晶陶瓷。晶粒尺寸大后，MAX相陶瓷的力学强度也降低得很明显。普通陶瓷韧性差，内部缺陷多强度偏低，而纳米粉体由于活性高，比表面大可以显著降低烧结温度，烧结后材料的致密度高，成分均匀性好，陶瓷的强度、韧性和超塑性相比普通陶瓷而言均大幅提高。因而，研发MAX相纳米陶瓷的技术对于提高MAX相陶瓷的性能和应用前景至关重要。纳米复相陶瓷由于引入分布于晶界的第二相颗粒，对裂纹有偏转、吸收、桥接等作用，有助于提高陶瓷材料的韧性以及高温强度。但是现有的纳米复相陶瓷主要通过添加外部的第二相颗粒强韧化，该方法制备的纳米复相陶瓷受第二相分散性不足及界面匹配和化学亲和性不好等因素影响，性能远远不及在纳米陶瓷基体上原位生长具有位相界面匹配的纳米二相颗粒强韧化陶瓷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，解决现有的纳米复相陶瓷性能不及在纳米陶瓷基体上原位生长具有位相界面匹配的纳米二相颗粒强韧化陶瓷等问题。本专利技术的技术方案是：一种高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，具体如下：(1)制备原料采用MAX相陶瓷的纳米片层粉体或纳米片层粉体构成的胚体，粉体或胚体中MAX相陶瓷的纳米片层颗粒物满足粒度在20～400纳米之间，氧含量在0.0001％～20％质量分数之间；(2)原料经烧结后的得到陶瓷中MAX相晶粒为片层状或纺锤状，片层的具有高度取向性。所述的高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，纳米MAX相陶瓷呈砖块有序堆砌分布和MAX相氧化物分布在纳米MAX相陶瓷晶粒的晶界处，MAX相晶粒尺寸20～400纳米。所述的高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，按质量百分比计，纳米MAX相陶瓷和MAX相氧化物纳米复相陶瓷中，纳米MAX相氧化物含量为0.0002％～40％，其余为纳米MAX相陶瓷。所述的高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，烧结方法直接采用纳米粉体或胚体加压烧结，或者烧结方法直接采用纳米粉体或胚体预压成型而后无压烧结。所述的高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，直接采用纳米粉体或胚体加压烧结的方法，采用热压烧结法、热等静压烧结法或放电等离子烧结法，其中：(1)热压烧结法直接将纳米片层粉体或胚体装入石墨模具，在石墨模具中热压烧结，烧结温度500～2000℃，烧结压力1～200MPa，保温时间10～3600分钟，升温速率1～100℃/分钟，烧结在真空或氩气气氛下进行；(2)热等静压烧结法直接将纳米片层粉体或胚体装入热等静压包套中，然后将包套抽真空并密封；在包套中热等静压烧结，烧结温度500～2000℃，烧结压力1～800MPa，保温时间10～3600分钟，升温速率1～100℃/分钟，烧结在真空或氩气气氛下进行；(3)放电等离子烧结法直接将纳米片层粉体或胚体装入烧结模具中，在施加大的脉冲电流烧结，烧结温度300～1800℃，烧结压力1～400MPa，保温时间5～600分钟，升温速率1～500℃/分钟，烧结在真空或氩气气氛下进行。所述的高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，直接采用纳米粉体或胚体预压成型而后无压烧结的方法采用如下之一项：(1)将纳米粉体或胚体装入压制模具中，对模具施加压力使其致密化，施加压力5～1000MPa，而后将获得的粉体压制产物进行无压烧结；(2)将纳米粉体或胚体装入冷等静压包套中，然后将包套抽真空并密封，在包套中冷等静压致密化，冷等静压温度0～600℃，冷等静压压力1～800MPa，保压时间10～3600分钟，升温速率1～100℃/分钟，而后将粉体压制产物从包套中取出进行无压烧结；(3)将纳米粉体或胚体装入包套中或者用胚体进行轧制，轧制压力10～1000MPa，轧制温度0～600℃，而后将获得的MAX相陶瓷的纳米片层粉体或胚体轧制成型产物进行无压烧结；(4)对获得的预压成型MAX相陶瓷的纳米片层产物进行无压烧结，烧结方法是将粉末装入承受烧结温度的容器中，并将容器抽真空或者通入保护性气体，或者直接将粉末放入抽真空或者通入保护性气体的可进行无压烧结的炉体内进行。所述的高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，烧结用的设备是马弗炉、感应加热炉、微波加热炉、红外加热炉，烧结温度300～2000℃，烧结时间10～9600分钟。所述的高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，制备取向MAX相/氧化物纳米复相陶瓷时，MAX相/氧化物纳米复相陶瓷中氧化物的含量，由用于制备上述陶瓷的MAX相陶瓷的纳米片层粉体或胚体氧含量调控，获得的晶粒大小由纳米片层颗粒物粒度以及粉体烧结参数调控，获得的陶瓷取向性程度由加压方式和烧结方式的不同组合和参数共同调控。本专利技术的设计思想是：本专利技术简单制备高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的方法，利用纳米片层状MAX粉体的特殊性质，在加压变形发生取向的，获得类似天然珍珠外壳中的层状结构，这种结构就如同建筑物所使用的砖块一样，具有很高的承力能力，以及对外部载荷和裂纹扩展的抗力。同时，烧结过程中无剧烈放热反应发生，纳米MAX相陶瓷不会发生明显的长大现象，保留纳米陶瓷的特性。本专利技术通过使用表面吸氧调节过的MAX相陶瓷的纳米片层粉体，能在烧结时在纳米MAX相陶瓷的基体里原位生长出细小弥散分布，化学亲和性极高，含量精确可调控的纳米MAX相/氧化物复相陶瓷，该类陶瓷具有极优异的室温及高温力学性能。本专利技术含量精确可调控意味着针对材料不同的使役环境，可以对材料的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，其特征在于，具体如下：(1)制备原料采用MAX相陶瓷的纳米片层粉体或纳米片层粉体构成的胚体，粉体或胚体中MAX相陶瓷的纳米片层颗粒物满足粒度在20～400纳米之间，氧含量在0.0001％～20％质量分数之间；(2)原料经烧结后的得到陶瓷中MAX相晶粒为片层状或纺锤状，片层的具有高度取向性。

【技术特征摘要】
1.一种高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，其特征在于，具体如下：(1)制备原料采用MAX相陶瓷的纳米片层粉体或纳米片层粉体构成的胚体，粉体或胚体中MAX相陶瓷的纳米片层颗粒物满足粒度在20～400纳米之间，氧含量在0.0001％～20％质量分数之间；(2)原料经烧结后的得到陶瓷中MAX相晶粒为片层状或纺锤状，片层的具有高度取向性。2.按照权利要求1所述的高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，其特征在于，纳米MAX相陶瓷呈砖块有序堆砌分布和MAX相氧化物分布在纳米MAX相陶瓷晶粒的晶界处，MAX相晶粒尺寸20～400纳米。3.按照权利要求1所述的高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，纳米MAX相陶瓷和MAX相氧化物纳米复相陶瓷中，纳米MAX相氧化物含量为0.0002％～40％，其余为纳米MAX相陶瓷。4.按照权利要求1所述的高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，其特征在于，烧结方法直接采用纳米粉体或胚体加压烧结，或者烧结方法直接采用纳米粉体或胚体预压成型而后无压烧结。5.按照权利要求1所述的高度取向纳米MAX相陶瓷和MAX相原位自生氧化物纳米复相陶瓷的制备方法，其特征在于，直接采用纳米粉体或胚体加压烧结的方法，采用热压烧结法、热等静压烧结法或放电等离子烧结法，其中：(1)热压烧结法直接将纳米片层粉体或胚体装入石墨模具，在石墨模具中热压烧结，烧结温度500～2000℃，烧结压力1～200MPa，保温时间10～3600分钟，升温速率1～100℃/分钟，烧结在真空或氩气气氛下进行；(2)热等静压烧结法直接将纳米片层粉体或胚体装入热等静压包套中，然后将包套抽真空并密封；在包套中热等静压烧结，烧结温度500～2000℃，烧结压力1～800MPa，保温时间10～3600分钟，升温速率1～100℃/分钟，烧结在真空或氩气气氛下进行；(3)放电等离子烧结法直...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔玉友，谢曦，柏春光，杨锐，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21