[发明专利]一种Ta2AlC纳米层状块体陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及单相纳米层状块体陶瓷及制备方法，具体为一种原位反应热压制备Ta₂AlC纳米层状块体陶瓷及其制备方法。

背景技术

M_n+1AX_n(M为过渡族金属，A为A组元素，X为C或N，n＝1-3)具有层状的六方结构。自M.W.Barsoum等(美国陶瓷协会，J.Am.Ceram.Soc.79(1996)1953)通过反应热压技术首次合成块体Ti₃SiC₂以来，M_n+1AX_n以其独特的特性吸引着世界上越来越多的科研工作者。简要说，M_n+1AX_n相兼具陶瓷和金属的特点：低密度、低硬度、高模量、高断裂韧性、良好的抗热震性能和高温氧化阻力、良好的导电和导热性的特点，成为极具潜力的高温应用结构材料。到目前为止，已发现有40多种M₂AX相，大部分的工作都围绕着致密体材料的制备和性能表征。

M.W.Barsoum等(冶金材料学报，Metall.Mater.Trans.A31(2000)1857)和X.H.Wang等(材料研究创新，Mater.Res.Innovat.5(2001)87)制备了Ti₂AlC，研究了其热、电、塑性和抗腐蚀性能。I.Salama等(合金化合物，J.AlloyCompd.347(2002)271)制备了Nb₂AlC，研究了其力学性能。W.B Tian等(材料手记，ScriptaMater.54(2006)841)制备了Cr₂AlC，研究了其热和电学性能。Z.M.Sun等(固态通讯，Solid.State.Commun.129(2004)589)已经计算出了Ta₂AlC的理论密度(11.52g/cm³)和弹性模量(318.6GPa)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位反应热压制备致密度高、纯度高的Ta₂AlC纳米层状块体陶瓷及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种Ta₂AlC纳米层状块体陶瓷，由单相Ta₂AlC组成。Ta₂AlC纳米层状陶瓷属六方晶系，空间群为P6₃/mmc，晶体结构中Al与Ta-C-Ta链以弱共价键结合，易于受剪切力作用沿Al层发生变形，表现出塑性。通过原位反应热压技术所制备的单相Ta₂AlC相对密度为98.5～99.5％，平均晶粒尺寸长度为10～15μm，宽为2～3μm。

所述纳米层状陶瓷是指其特殊的晶体结构，可以描述为：在接近密堆的Ta原子层中插入纯Al原子层，Ta原子层数为2，C原子填入由Ta组成的八面体间隙内；或者可描述为Ta₆C八面体与Al原子层在垂直a轴方向周期堆垛。

一种原位反应热压制备Ta₂AlC纳米层状块体陶瓷的方法，通过原料粉在高温炉中反应并施加压力使之致密化。

所述制备Ta₂AlC纳米层状块体陶瓷的方法，以钽粉、铝粉、石墨粉为原料，原料粉的摩尔比为2∶(1+x)∶(1-y)，其中0≤x≤0.3，0≤y≤0.3，干燥条件下在树脂罐中球磨10～20小时，过筛后装入石墨模具中冷压成型(10～20MPa)，在真空或通有氩气的热压炉内烧结，升温速率为10～15℃/分钟，在1500～1700℃烧结，保温时间为20～120分钟，施加压力为20～40MPa。从而，制备出致密度高、纯度高的Ta₂AlC单相陶瓷。

所述加入的钽粉、铝粉、石墨粉粒度范围为200～600目；所述烧结方式为热压烧结；所述烧结气氛为真空(真空度为10^-4～10^-2MPa)或氩气；所述混料方式为在干燥条件下树脂罐中球磨。

本发明中，原料粉之所以采用摩尔比为钽粉∶铝粉∶石墨粉＝2∶(1+x)∶(1-y)，其中0≤x≤0.3，0≤y≤0.3，接近于其化学计量比2∶1∶1，是由于在合成过程中采用的烧结温度不同和升温速率不同，Ta和Al在烧结过程中的少量损失也有不同，但采用此范围内的成分，均可制备较纯的Ta₂AlC。

本发明的优点是：