[发明专利]涂层无机纤维增韧MAX相陶瓷复合材料、其制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷基复合材料领域。具体涉及一种涂层无机纤维增韧MAX相陶瓷复合材料、其制备方法及用途。

背景技术

三元层状陶瓷M_n+1AX_n（n=1-6）（简称为MAX相，其中M是过渡族金属，A是主族元素，X是C或N元素），这些MAX相同属六方晶系，空间群为P6₃/mmc。其晶体结构可以描述为M₆X八面体与A原子层间隔堆垛。M-X之间主要以强共价键和离子键结合，而M-X和A原子之间的结合比较弱。这种独特的键合方式使得MAX相陶瓷同时具有金属和陶瓷的某些优良特性，像陶瓷材料一样具有高强度、高模量、良好的高温抗氧化性和化学稳定性；像金属材料一样具有好的导电、导热性及可加工性等，因此，这类三元层状碳化物和氮化物是一类非常有应用潜力的高温结构材料。近年来部分研究发现312型MAX相Ti₃SiC₂和Ti₃AlC₂具有优异的耐重离子辐照损伤和抗液态铅侵蚀特性。例如，美国L.A.Barnes等（J.Nucl.Mater.373(2008)424-428）报道Ti₃SiC₂和Ti₃AlC₂分别与650℃～800℃、循环流动的熔融铅长时间相互作用后无侵蚀现象发生，侵蚀实验结束后观察到MAX相陶瓷的原始结构保持完整，与金属熔体的接触界面清晰；法国M.Le Flem等（J.Nucl.Mater.401(2010)149-153）证实Ti₃(Si,Al)C₂具有优异的耐重离子辐照损伤特性。因此，MAX相尤其是Ti₃SiC₂和Ti₃AlC₂极有希望用作我国第三、四代核裂变反应堆（Gen Ⅲ、Gen IV）和聚变反应堆（ITER）直接接触冷却介质或高温等离子体的候选内壁结构材料。

核电站所用内壁结构材料在服役过程中需要面对极端苛刻的运行环境，这要求候选材料在结构和性能上必须具备足够的使用可靠性和稳定性，即在循环热机械应力、冷却剂的往复冲刷和高温等离子体长期作用下材料本身结构能够保持完整，不发生物理冲刷、化学侵蚀和材料性能恶化，材料内部不易产生微裂纹并且不会继而发生微裂纹在基体内部迅速扩展，最终造成内壁结构材料的灾难性破坏。虽然MAX相陶瓷具有比其它非氧化物陶瓷更高的断裂韧性和损伤容限，但在实际使用过程中MAX相陶瓷还是在1100℃以下呈现出明显的脆性断裂，并且其性能对裂纹、气孔和夹杂物等结构缺陷还是相对敏感，以上这些不足明显制约了其实际应用。因此，提高MAX相陶瓷的服役可靠性就具体落实到提高其断裂韧性和耐高温性能方面，这是目前将MAX相陶瓷用于第三、四代核裂变堆和聚变堆必须解决的最关键问题之一。

到目前为止，对MAX相陶瓷进行强韧化的工作主要分为两部分：一是通过引入弱界面相来实现裂纹在界面区的多次偏转、裂纹桥接、第二相拔出以及通过颗粒钉扎以及晶粒细化等来获得更高韧性和高温强度的陶瓷基复合材料；二是通过有针对性的改进材料制备工艺来有效调控材料的显微组织结构以达到提高韧性的目的。其中，部分代表性工作有：万德田和周延春等（J.Apll.Ceram.Tech.3(2006)47-54）在Ti₃Si(Al)C₂基体内原位引入SiC颗粒制备了Ti₃Si(Al)C₂/SiC复合材料，测试后发现所制备复合材料的断裂韧性、剪切强度、弹性模量、硬度、接触损伤阻力、耐磨性和高温抗氧化性能均有所提高，但弯曲强度却随着原位SiC含量的增加单调下降；胡春峰和Yoshio Sakka等（J.Am.Ceram.Soc.,94,(2011)410-415，J.Am.Ceram.Soc.,94,(2011)742-748）利用在12T强磁场下注浆成型工艺结合SPS烧结成功制备出了高织构化的Nb₄AlC₃和Ti₃SiC₂陶瓷，结果表明MAX相晶粒沿磁场方向高度取向的微观组织结构能显著提高这两种MAX相陶瓷沿C轴方向的断裂韧性和垂直于C轴的弯曲强度。