[发明专利]一种Ti2AlC复合陶瓷材料的反应喷射合成制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料制备技术领域，具体涉及一种Ti₂AlC层状陶瓷材料的制备方法。

背景技术

随着科技的迅猛发展，高技术领域对高温、高强材料提出越来越苛刻的要求，传统的金属基材料已难以完全满足需要。高性能陶瓷和陶瓷基复合材料以其在高温力学、化学及热稳定性等方面的独特优势，成为高温、磨损、腐蚀等严酷环境下服役的理想材料。然而，传统陶瓷材料制备工艺复杂、成本高和难以机械加工的缺陷限制了其在工业中的实际应用。

近年来，一类具有层状结构的新型陶瓷材料受到广泛重视。这些化合物可用统一的分子式M_n+1AX_n来表示，其中，M为过渡金属，A主要为第III或第IV族元素，X为C或N，n为1～5之间的整数。M_n+1AX_n相化合物的晶体结构中，过渡金属碳化物或氮化物与纯A族元素原子构成的层交替排列，使其具有特点鲜明的层状结构。目前已知的M_n+1AX_n相化合物已有60余种，因其组成、结构与性能特征的缘故，被统称为三元层状陶瓷，简称MAX相。

在已知的MAX三元层状陶瓷中，含Al的Ti₂AlC是重量最轻(密度为4.1g/cm³)、抗氧化性能最好的一种。在Ti₂AlC层状陶瓷中，Ti-C键主要以强共价键和离子键结合，赋予材料高熔点、高强度、高模量等性能；而Ti-Al键具有非常明显的金属键特征，赋予材料良好的导电、导热性能；此外，Ti原子和Al原子平面层之间以类似于石墨层间的范德华弱键结合，使得材料具有层状结构和自润滑性能。Ti₂AlC层状陶瓷这种金属键、离子键、共价键共同作用的独特键合结构使其同时兼具陶瓷和金属的性能优点。由于有效克服了传统陶瓷脆性大、难加工的固有缺陷，使Ti₂AlC层状陶瓷具有广阔的应用前景。

然而遗憾的是，该材料自问世以来便一直面临制备上的难题。目前块体Ti₂AlC层状陶瓷主要利用热压(Hot Pressing-HP)、热等静压(Hot Isostatic Pressing-HIP)、放电等离子烧结(Spark Plasma Synthesis-SPS)等方法制备，此外，还有研究者先以机械合金化方法制备相应三元层状陶瓷粉体，再以热压烧结方法获得块体材料。但这些材料制备过程均须在长时间高温、高压的苛刻条件下完成，使得上述方法普遍存在制备设备庞大、工艺复杂、成本高、效率低的问题。如何高效率、低成本地制备出Ti₂AlC层状陶瓷，已经成为该材料深入研究及工程实际应用的关键所在。

金属喷射成形(又称喷射沉积)技术是材料领域制备近终型坯件的高新技术，具有快速凝固一次成形的优点，目前已在发展新型合金与实现复杂构件净成形等方面显示出巨大的经济和社会效益。其原理是用高压气体将金属液流雾化成细小液滴，并使其沿喷嘴的轴线方向高速飞行，在液滴尚未完全凝固之前，将其沉积到一定形状的接收体上成形。该技术通过设计接收体的形状、控制接收体运动方式及喷射熔滴的凝固过程，可从液相直接制备出具有快速凝固组织特征、整体致密的圆棒、圆盘、管坯、板材、带材等不同形状的沉积坯件。喷射沉积具有材料制备性能高、成本低的优点。然而，利用喷射成形制备沉积坯件的前提是喷射熔体的获得，而对于熔点极高的陶瓷材料而言，采用常规方法不易得到陶瓷熔体，因而，目前喷射成形技术主要用来制备金属、合金及其复合材料坯件，国内外还没有出现基于喷射沉积原理对Ti₂AlC层状陶瓷进行近终型成形的研究报道。