一种高致密氧化铝/MAX相复合材料及其原位合成方法技术

本发明专利技术属于陶瓷复合材料的制备技术领域，具体涉及一种高致密氧化铝/MAX相复合材料及其原位合成方法。所述的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Sc、Cr、Mo；A为Si、Al、Ge、Sn、Pb、P、S、Ga、As、Cd、In、Tl中的一种；X为C、N。将M粉、A1粉、A粉、X粉或者含有M、A1、A、X元素的化合物与氧化铝粉混合，加入酒精，球磨，干燥，过筛；1200 ℃‑1600 ℃的条件下烧结，保温0.5‑4 h，升温速率为5‑20 ℃/min，得到复合材料。此复合材料纯度高，并且抗弯强度、断裂韧性、显微硬度等各项力学性能以及抗氧化性能均有很大提高。

A high density alumina / max phase composite and its in-situ synthesis method

【技术实现步骤摘要】
一种高致密氧化铝/MAX相复合材料及其原位合成方法
本专利技术属于陶瓷复合材料的制备
，具体涉及一种高致密氧化铝/MAX相复合材料及其原位合成方法。
技术介绍
氧化铝是陶瓷产品中应用最广泛的材料之一，具有高熔点、高强度、高硬度、高抗氧化、耐高温等优良性能。主要用于陶瓷基复合材料的基体相。但氧化铝陶瓷的低韧性限制了其应用。MAX相是指三元过渡族金属碳化物或氮化物，其化学通式为“Mn+1AXn”，其中M代表过渡族金属元素，A代表ⅢA或ⅣA族元素，X代表C或N,n=1～3。目前，已被合成研究的MAX相多达50多种，常见的有Ti2AlC、Ti3SiC2、Ti3AlC2、Cr2AlC等。在MAX相的晶体中，M、X由较强的共价键相连接形成M6X八面体，M、A之间以结合度较弱的金属键相连接，MX片层则与A原子层交替堆叠形成特殊的层状结构。MAX相陶瓷具有密度低、屈服强度高、易加工等优点，兼具金属和陶瓷的特点，其特有的层状结构使其成为一种潜在的结构材料。因此，将氧化铝与MAX相结合使用，以期获得集优异机械性能与化学性能于一体的新型结构功能材料。由于MAX相A位元素绝大多数为金属，其熔点较低，以至于在原位反应合成MAX相过程中A位元素会出现蒸发损失的现象。导致化学计量配比失衡。而且由于氧化铝的加入阻碍了MAX相陶瓷合成原料的充分反应，容易生成MX、MA2等杂质，导致MAX相的含量较低。
技术实现思路
针对现阶段氧化铝/MAX相复合材料合成中存在的问题，考虑到MAX相具有类似的晶体结构和相近的理化特性，通过添加不同于MAX相A位元素的另一种A1位元素（此处命名为A1），使其形成A-A1固溶体，制备出了一种A1元素增强氧化铝/MAX相复合材料。此复合材料纯度高，并且抗弯强度、断裂韧性、显微硬度等各项力学性能以及抗氧化性能均有很大提高。一种高致密氧化铝/MAX相复合材料，其中M为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Sc、Cr、Mo；A为Si、Al、Ge、Sn、Pb、P、S、Ga、As、Cd、In、Tl中的一种；X为C、N。一种高致密氧化铝/MAX相复合材料，原料包括：M粉、A粉、A1粉和X粉或者M、A、A1、X组成的化合物和氧化铝粉；所述的A、A1取自Si、Al、Ge、Sn、Pb、P、S、Ca、As、Cd、In、Tl中的两种。上述高致密氧化铝/MAX相复合材料的原位合成方法，包括以下步骤：（1）混合：将M粉、A1粉、A粉、X粉或者含有M、A1、A、X元素的化合物与氧化铝粉混合，加入酒精，球磨，干燥，过筛；（2）烧结：在1200℃-1600℃的条件下烧结，保温0.5-4h，升温速率为5-20℃/min，得到样品。所述的步骤（1）中M粉的粒径为1-5μm；X粉的粒径为6000-8000目；A粉的粒径为1~5μm；A1粉的粒径为1~20μm；含有M、A1、A、X元素的化合物的粒径1-5μm；氧化铝的粒径为0.3-0.7μm，纯度均为99.9%。所述的步骤（1）中氧化铝与MAX相的体积比为8-2:2-8；所述的步骤（1）中若为M3AX2相，则M粉：X粉：A粉:A1粉的摩尔比为21-12:14-8:7-4:3-1；若为M2AX1相，则M粉：X粉：A粉:A1粉的摩尔比为14-8:7-4:7-4:3-1；若为M4AX3相，则M粉：X粉：A粉:A1粉的摩尔比为28-16:21-12:7-4:3-1。采用上述方法制备的高致密氧化铝/MAX相复合材料。MAX相A1元素增强氧化铝/MAX相复合材料原因：一是A1元素在高温下可以形成液相，促进烧结提高氧化铝/MAX相复合材料的整体密度，二是A1元素的添加使得氧化铝、MAX相晶粒细化。这主要是因为流动性良好的A1熔体有助于材料烧结过程中原位反应生成MAX相晶粒的均匀分布。因此MAX相可以与氧化铝充分接触，避免了氧化铝晶粒的团聚。且原位反应过程中新相的形成会不断消耗能量，使氧化铝晶界两侧的自由焓之差减小，抑制了氧化铝晶粒平均粒径的增大，三是大大提高氧化铝/MAX相的纯度。A1位元素可以与A元素发生取代，弥补A的蒸发损失，促进MAX相的生成。而且A1一旦与A元素发生取代，将稳定MAX相结构，抑制MAX相的分解。四是A1元素的添加提高了氧化铝/MAX相复合材料的高温抗氧化能力，在高温时，A1元素会优先与氧反应生成一层氧化膜，阻碍了基体与外界的物质交换，提高了氧化反应活化能。附图说明图1为实施例1、对比例1、对比例2的产物的XRD图谱；图2为氧化铝/钛硅碳复合材料的断面SEM图谱:（a）对比例1，（b）对比例2（c）实例1。本专利技术的有益效果1.性能稳定A1位元素可以与A元素发生取代，弥补A的蒸发损失，促进MAX相的生成；A1元素一旦与A元素发生取代，将稳定MAX相结构，抑制MAX相的分解；A1元素的添加提高了氧化铝/MAX相复合材料的高温抗氧化能力，在高温时，A1元素会优先与氧反应生成一层氧化膜，阻碍了基体与外界的物质交换，提高了氧化反应活化能。此复合材料纯度高，并且抗弯强度、断裂韧性、显微硬度等各项力学性能以及抗氧化性能均有很大提高。2.工艺简单本专利技术采用常规的制备工艺，操作条件简单，易于工业化生产。具体实施方式下面通过实例对本专利技术做进一步地阐述，需要强调的是，下述说明仅是为了解释本专利技术，并不对其内容进行限定。实施例1一种高致密氧化铝/MAX相复合材料的原位合成方法，包括以下步骤：（1）将氧化铝和钛硅碳（Ti3SiC2）按体积比6:4配置，钛硅碳原料粉包括1-5μm钛粉、1-5μm碳化硅粉、6000-8000目石墨粉、掺杂1-20μm锗粉按摩尔比30:10:10：3，粉末共称取40g，将粉末与氧化铝研磨球80g、无水乙醇40g置入树聚四氟乙烯磨罐中，用玻璃棒搅拌，配制出混合浆料。（2）将步骤（1）配制的混合液放入行星式球磨罐，设置球磨速度200r/分钟，球磨时间4小时，得到混合溶液。（3）将步骤（2）中溶液倒入托盘中，放入干燥机干燥4小时，得到混合的原材料粉末。（4）将步骤（3）得到的混合粉末称取30g，装入直经45mm石墨模具，放入真空热压炉烧结成型，以10°C/分钟的升温速率升至1200°C，再以5°C/分钟的升温速率升至1450°C，在1450°C时保温90分钟，烧结压力为30MPa，温度升至1300°C前开启加压程序，保压90分钟。保温加压程序结束后随炉降温，得到块状氧化铝/钛硅碳复合材料。实施例2一种高致密氧化铝/MAX相复合材料的原位合成方法，包括以下步骤：（1）将氧化铝和钛硅碳（Ti3SiC2）按体积比6:4配制，钛硅碳原料粉为1-5μm的钛粉、1~5μm的碳化硅粉、6000-8000目的石墨粉、掺杂1~20μm的铝粉按摩尔比15:5:5:1，粉末共称取40g，将粉末与氧化铝研磨球80g、无水乙醇40g置入树聚四氟乙烯磨罐中，用玻璃棒搅拌，配制出混合浆料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高致密氧化铝/MAX相复合材料，其特征在于，所述的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Sc、Cr、Mo；A为Si、Al、Ge、Sn、Pb、P、S、Ga、As、Cd、In、Tl中的一种；X为C、N。/n

【技术特征摘要】
1.一种高致密氧化铝/MAX相复合材料，其特征在于，所述的M为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Sc、Cr、Mo；A为Si、Al、Ge、Sn、Pb、P、S、Ga、As、Cd、In、Tl中的一种；X为C、N。


2.根据权利要求1所述的一种高致密氧化铝/MAX相复合材料，其特征在于，原料包括：M粉、A粉、A1粉和X粉或者M、A、A1、X组成的化合物和氧化铝粉；所述的A、A1取自Si、Al、Ge、Sn、Pb、P、S、Ca、As、Cd、In、Tl中的两种。


3.权利要求1所述的高致密氧化铝/MAX相复合材料的原位合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）混合：将M粉、A1粉、A粉、X粉或者含有M、A1、A、X元素的化合物与氧化铝粉混合，加入酒精，球磨，干燥，过筛；
（2）烧结：在1200℃-1600℃的条件下烧结，保温0.5-4h，升温速率为5-20℃/min，得到样品。


4.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王绪业，王志，李庆刚，史国普，吴俊彦，吴昊，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37