论文部分内容阅读
近来，一族三元层状结构陶瓷Mn+1AXn因它独特的性能而得到了材料学家和物理学家的广泛关注。该类材料兼具陶瓷和金属的特性，更为重要的是，它们不同于传统碳化物陶瓷，可以象金属一样，用传统的加工方式进行加工。在Ti—Al—N系统中有两种重要的三元化合物Ti2AlN和Ti4AlN3。在Ti基二元和三元化合物中，Ti4AlN3具有最高的热膨胀系数和常温热容，分别为9.7×10—6 K-1和598J/（Kg·K）；此外，在Mn+1AXn家族中它拥有更低的维氏硬度，只有2.5GPa，具有更好的可加工性。这些优异性能使其具有广阔的应用前景。但Ti4AlN3材料的相形成是非常缓慢，它的三元相图稳定区间狭窄，对温度和原料配比的要求严格。目前报道的合成Ti4AlN3材料的温度高，时间长，合成成本高。
本课题利用不同烧结方法对Ti4AlN3材料的合成进行了研究，着重研究了Ti4AlN3的反应过程，以及起始原料、组分和工艺参数对材料的相含量的影响规律，在此基础上，利用优化的组分和工艺参数制备了Ti4AlN3陶瓷。以TiN/Ti/Al为原料，按化学计量比在1400℃真空无压烧结时，得到的是以TiN为主晶相，同时含有部分Ti4AlN3的混合材料。当改变原料中TiN的含量，使n（Ti）：n（Al）：n（TiN）=1：1：1.5时，产物的主晶相是Ti4AlN3，同时含有少量TiN的杂质存在。适量增加原料中Al的含量，使n（Ti）：n（Al）：n（TiN）=1：1.2：1.5时，Ti4AlN3特征峰强度增强，表明能促进Ti4AlN3的合成，但仍不能消除杂质相TiN的存在。在研究不同烧结温度对Ti4AlN3相影响规律时可以发现，Ti4AlN3的合成过程大致可以分为三个阶段：先是Ti粉和Al粉反应合成中间相Ti—Al金属间化合物；然后后TiN与Ti—Al金属间化合物反应生成中间相Ti2AlN；最后Ti2AlN和TiN发生反应生成Ti4AlN3。通过改变烧结工艺，在30MPa压力，Ar保护气氛下，烧结n（Ti）：n（Al）：n（TiN）=1：1.2：2.6的混合粉末可以得到仅含极少量TiN杂质的Ti4AlN3致密块体材料。HP烧结试样的密度为4.51g/cm3，达到理论密度4.61g/cm3的97.24％；Ti4AlN3呈片状形貌，厚度尺寸和长度尺寸分别为3—5μm、8-10μm。第一近似原理认为，Mn+1AXn系列化三元化合物的标准自由能可以近似认为是其二元化合物MX的（n+1）倍，但对于Ti4AlN3的热力学数据，根据现有的热力学数据以及相关系统的研究表明不能由第一近似原理确定。