纳米层状/颗粒Tin+1AlCn/Al2O3复合材料的原位反应合成及机理研究

为提高结构材料性能及满足其多功能化的需求，针对目前钛铝碳三元层状可加工系列材料难以合成及其力学性能方面不足的缺点，拟采用Ti、Al、C及TiO2为主要原料，以原位反应合成工艺和高能球磨预合成工艺系统研究Tin+1AlCn/Al2O3（n=1或2）纳米层状/颗粒复合材料粉体和块体材料的合成及性能改进。通过热力学及动力学分析，结合物相及显微结构的演变详细研究该类复合材料的合成机理及控制原理。通过对其多相分布、晶粒尺寸、晶界状态对材料性能的影响进行系统研究并进行优化，以获得兼具力学性能、导电、导热性能及可加工性能的多功能纳米复合材料。本项目的顺利实施，有助于进一步深入认识和理解该系列多功能纳米层状/颗粒复合材料（或其它类似结构的材料）的设计、制备、测试和机理研究等系列科学问题。有望催生出基于该复合材料的高性能多功能元器件，为未来在航空、航天及汽车等领域提供新型多功能材料奠定坚实的理论和实验基础。

在本项目中，利用Ti、TiC、Al、TiO2为原料，通过原位热压工艺成功合成了Ti2AlC/Al2O3和Ti3AlC2/Al2O3复合材料，详细研究了该类材料的反应合成过程，并对TiC相对含量对材料结构和性能的影响进行了研究。同时，Al2O3含量对材料结构和力学性能的影响进行了详细研究。最后，Al2O3含量对材料抗氧化性能和摩擦磨损性能的影响也进行了详细研究。. 研究结果表明：随着合成温度的提高，Ti和Al首先发生反应，生产Ti-Al中间化合物，并逐渐转化为TiAl平衡相。接着，Al和TiO2发生铝热还原反应，生成Al2O3和TiAl，最后，当温度升高到1350℃时，根据组成不同，TiAl和TiC反应生成Ti2AlC 或者Ti3AlC2基体相。由于Al的高温挥发，起始原料中，TiC降低到其理论含量的90%时，所制备的复合材料纯度最高。. 原位反应合成的第二相Al2O3均匀的分布在基体相晶界上，对基体相的颗粒有很大的细化作用，从而有力的促进了该材料的硬度及强度，但断裂韧性成峰值变化。当Al2O3含量为12 wt%时，Ti2AlC/Al2O3 复合材料的断裂韧性提高了19.3%。当Al2O3含量为9 wt%时，Ti3AlC2/Al2O3 复合材料的锻炼韧性达到了8.21 MPa m1/2。1100–1300℃间Ti2AlC/ Al2O3 复合材料的循环氧化实验表明，当温度为1200℃时，该材料具有很好的抗氧化性能。当温度为1100℃和1200℃时，该材料氧化遵循抛物线规律，氧化常数 (kp) 分别为1.715×10-8 和 7.597×10-8。然而，当温度为 1300 ℃时，氧化层主要分为内层α-Al2O3 和外层Al2TiO5 及TiO2，因此，抗氧化性能开始下降。同样，Al2O3的生成，大幅度的提高了Ti2AlC 材料的摩擦、磨损性能，当Al2O3含量从0 提高到 15 wt%时，其磨损率从2.8×10-5 mm3/Nm 降低到了 1.38×10-5 mm3/Nm。. 本项目部分成果已获授权发明专利5项，发表学术论文3篇，获陕西省科学技术奖二等1项。