Cr2AlC陶瓷的合成及其改性研究.pdf

1、三元層狀化合物Cr2AlC由于兼具金屬和陶瓷的特點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注。它作為一種陶瓷，具有高模量、高熔點(diǎn)、良好的高溫抗氧化性和熱穩(wěn)定性；它也像金屬一樣，具有較低硬度和密度，良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性以及可加工性。但由于合成難度大、強(qiáng)度硬度較低等缺點(diǎn)，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的廣泛應(yīng)用。因此，本研究采用原位合成技術(shù)進(jìn)行材料合成，并利用固溶強(qiáng)化和第二相增強(qiáng)的方式提高Cr2AlC的綜合力學(xué)性能。
　　本論文以Cr-Al-C、Cr-Al-C-V、Cr-

2、Al-C-Cr2O3、Cr3C2-Al-Cr-Cr2O3體系為原料，采用原位熱壓燒結(jié)工藝，在1400℃、16 MPa的條件下，成功制備高純度的Cr2AlC單相材料、(Cr1-xVx)2AlC固溶體材料以及Cr2AlC/Al2O3復(fù)合材料。通過X射線衍射分析、DSC熱分析以及掃描電鏡等測試手段，研究了三個(gè)體系材料的合成機(jī)制、顯微形貌、力學(xué)性能，并對其強(qiáng)韌化機(jī)制進(jìn)行了探討。
　　對Cr2AlC單相材料的研究結(jié)果表明：Cr2AlC的合成

3、過程包括三個(gè)階段，首先是Al與Cr反應(yīng)生成Al8Cr5金屬間化合物；然后在700-900℃之間Al8Cr5與Al、Cr反應(yīng)產(chǎn)生Cr2Al；最后，Cr2Al與C化合生成Cr2AlC。所制備的單相Cr2AlC塊體純度高，平均晶粒尺寸約為17.9μm，抗折強(qiáng)度、斷裂韌性和維氏硬度分別達(dá)到了303 MPa、4.87 MPa?m1/2和4.14 GPa。
　　對(Cr1-xVx)2AlC固溶體的研究結(jié)果表明：合成(Cr1-xVx)2AlC的

4、反應(yīng)機(jī)制也包括三個(gè)主要過程：Cr2AlC的生成、V2AlC的生成以及固溶體的形成。其中前兩個(gè)過程是隨著溫度的升高同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行的，而后一個(gè)過程是在1100-1400℃高溫階段完成。制得的(Cr1-xVx)2AlC材料結(jié)構(gòu)較致密，隨著 V含量的增加，固溶體晶粒的形貌從等軸狀逐漸過渡到長柱狀，材料的力學(xué)性能呈峰值變化。其中，(Cr0.5V0.5)2AlC固溶體具有最佳的力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和維氏硬度分別比單相Cr2AlC分別提高了3

5、2.7％、21.4%和25.1%，主要?dú)w因于固溶引起的晶格畸變。
　　對 Cr2AlC/Al2O3復(fù)合材料的研究結(jié)果表明：采用 Cr3C2-Al-Cr-Cr2O3原料體系合成Cr2AlC/Al2O3復(fù)合材料比采用Cr-Al-C-Cr2O3原料體系具有優(yōu)勢，前者明顯降低了Cr2AlC相的生成溫度。通過顯微結(jié)構(gòu)觀察，基體晶界Al2O3 顆粒的釘扎作用，促使基體相晶粒尺寸被細(xì)化。當(dāng)Al2O3含量超過11 vol%后，Al2O3