论文摘要
近年来,三元层状碳化物和氮化物由于其兼具了金属和陶瓷材料的诸多优异性能而引起了越来越多研究者的关注,它们被称为413相、312相或211相,可用化学式Mn+1AXn（记为MAX,其中M为过渡族金属,A主要为ⅢA和ⅣA族原子,X是C或N原子）表示。作为MAX体系的一员,计算材料学预报Cr2AlC具有良好的弹性性能,而且Cr2AlC在氧化过程中可形成抗氧化的Al2O3和Cr2O3保护层,可以预期它在较宽温度范围内具有优良的抗氧化性能,甚至比Ti3SiC2更优异,能够承受更为恶劣的氧化环境以及具有更长的氧化寿命。这说明Cr2AlC是一种潜在的有用的新材料。据此,本课题开展了Cr2AlC块体材料的制备及性能研究,着重研究合成Cr2AlC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和致密度的影响规律。在此基础上,利用优化的组分和工艺参数制备了Cr2AlC陶瓷,并报导了Cr2AlC陶瓷的力学、电学、热学、静态化学腐蚀及高温抗氧化性能。合成Cr2AlC的反应动力学过程研究结果表明,以Cr3C2粉代替部分元素单质粉作原料,外加Al粉和Cr粉,按照配比n（Cr3C2）:n（Al）:n（Cr）=0.5:1.2:0.5合成Cr2AlC时,相继出现的中间相Cr5Al8和Cr2Al。随着烧结温度的升高,Cr-Al金属间化合物、未反应的Cr3C2和Cr之间发生反应,Cr2AlC相的含量逐渐增加;当温度达1350℃时中间相消失,样品为纯Cr2AlC相。对Cr2AlC相的制备研究表明,随着组分中过量Al的量从10at%增加至30at%,烧结样品中Cr2AlC相的含量逐渐增加,而第二相Cr3C2的含量随之减少,进而当过量Al的量达到20 at%时,Cr2AlC成为样品中唯一的相,与此同时,样品的密度随着过量Al的量增加而减小;对于固定的组分n（Cr3C2）:n（Al）:n（Cr）=0.5:1.2:0.5,1350℃热压2h制得的样品中有主相Cr2AlC和少量Cr3C2,进一步升高温度到1500℃,Cr2AlC有分解的迹象,样品的密度也减小;随保温时间0.5h增加到2h,Cr2AlC峰增强杂质峰减弱,但对密度的影响甚微。Cr2AlC样品的维氏硬度,抗弯强度和抗压强度分别为4.7～5.2 GPa,498 MPa和627 MPa,这与Ti3AlC2和Nb2AlC的性能相当。对Cr2AlC样品的热学和电学性能的研究结果表明,Cr2AlC样品的热导在室温到600℃之间随着温度增加而略有上升。在300K～900K温度区间,Cr2AlC样品的电阻率随着温度升高而线性增加,这是一种金属导电特征,说明Cr2AlC材料是电子导电。样品在室温至1300℃温度区间的平均热膨胀系数、200℃热导、室温热容以及电导率分别为1.36×10-5K-1、13.35W/m·K、619J/kg·K和1.6x106S·m-1。Cr2AlC在酸碱中的静态化学腐蚀行为表明,在浓HCl中的腐蚀率最大,在NaOH中腐蚀率最小,其耐碱腐蚀性能比耐酸腐蚀性能要好的多。Cr2AlC样品在1000℃～1200℃氧化循环30次后Cr2AlC表面生成致密的氧化层,由两层组成:外层为Al2O3层,内层为薄的Cr3C2层,没有出现剥落现象。1000℃和1100℃时氧化层厚度小于3μm,表现出优异的抗氧化性能,优于Ti2AlN和Ti3SiC2。其氧化过程主要是通过O向内扩散和Al向外扩散在表面形成Al2O3的方式完成的。