[發明專利]一種制備MAX相高熵陶瓷材料的方法

在審

• 申請號: 202110626195.0
• 申請日: 2021-06-04
• 公開（公告）號: CN113185295A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 鐘志宏;劉成友;歐陽維;吳玉程
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C04B35/56
• 分類號: C04B35/56;C04B35/622;C04B35/64;C04B35/645
• 代理公司: 北京山允知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11741
• 代理人: 胡冰

本發明提供了一種制備MAX相高熵陶瓷材料的方法，其包括如下步驟：1)配制復合粉末，將過渡金屬粉末、過渡金屬氫化物粉末、對應的過渡金屬碳化物粉末以及鋁粉進行混合配制復合粉末；2)將在步驟1)得到所述復合粉末分散于助磨劑中，進行球磨得到混合漿料，并進行真空干燥，并進行過篩；3)將步驟2)得到的混合粉末置于鋼模中，進行預壓成形，得到陶瓷素胚；4)將步驟3)得到陶瓷素胚置于將石墨模具中，在真空條件下，在45～55MPa的加載壓力下，1300～1500℃的溫度下進行壓力燒結，即得到MAX相高熵陶瓷。本發明還提供一種通過所述方法制備的MAX相高熵陶瓷材料，所述的MAX相高熵陶瓷材料具有優異的力學性能。

技術領域

本發明屬于結構陶瓷材料技術領域，更具體的涉及一種制備具有優異綜合力學性能的MAX相高熵陶瓷材料的方法，以及由該方法制備得到的MAX相高熵陶瓷材料。

背景技術

MAX相陶瓷是一類具有高長軸比和化學鍵各向異性的六方結構陶瓷。它兼具金屬和陶瓷的優點，如低密度、高模量、高損傷容限以及良好的抗熱震性能和導電性等，具有廣闊的應用前景，有望用于高溫密封件、核燃料包殼材料、新型電刷和電極等。但是，與傳統的陶瓷材料相比，MAX相的硬度(2～6GPa)和強度較低，這大大限制了其在工程實際中的應用，所以提高其力學性能十分必要。近年來，眾多研究人員嘗試通過固溶強化、第二相顆粒強化和織構強化等強化方式提升MAX相的力學性能。例如，有研究表明，在熱壓燒結工藝制備的Ti₂AlC陶瓷中通過添加一定量的V，通過V取代Ti的位置從而實現了陶瓷材料維氏硬度和強度的提高(Meng F L等人，Strengthening of Ti2AlC by substituting Ti with V[J].Scripta Materialia,2005,53(12):1369-1372.)。此外，通過在MAX相基體中引入TiC、SiC、Al₂O₃、TiB₂、Y₄Al₂O₉、cBN、ZrC等第二相顆粒，均可以提高其力學性能。這可以歸因于以下幾點：(1)第二相顆粒本身具有較高的硬度和模量，能增強MAX相基體的抗變形能力；(2)第二相顆粒的添加，使MAX相基體的晶粒細化；(3)第二相顆粒與MAX相基體界面結合較好，同時具有對基體位錯釘扎的作用(何乃如等人，MAX相陶瓷強化方式及機理研究進展[J].中國陶瓷,2019,55(09):1-9.)。另外，利用一定的微結構調控手段，如熱加工法、模板晶粒生長法、強磁場定向法，使晶粒在陶瓷材料中沿著特定的方向進行規則排布，形成織構是提高陶瓷材料性能的一個有效途徑。通過為MAX相陶瓷制備高織構化的微觀結構，可以使其具有明顯的各向異性的物理性能和力學性能。

“高熵”是近年來出現的新的材料設計理論，目前已成為材料研究領域的一大熱點，其概念最初由高熵合金發展而來。2004年中國臺灣學者葉均蔚教授最先提出了高熵合金的概念(YEH J W等人.Advanced Engineering Materials[J],2004，6(5):299－303.)，高熵合金是將多種合金元素以近等原子比固溶到一起，形成單相的固溶體。隨著研究的不斷深入，高熵的概念逐漸拓展到其他材料中，如高熵金屬玻璃、高熵陶瓷、高熵熱電材料、高熵聚合物等。多主元所引起的“高熵效應”能有效提高材料的熱力學穩定性，降低材料的燒結溫度，本發明利用多主元產生的“高熵效應”來提升MAX相陶瓷材料的性能，“高熵化”所引起的固溶強化，晶格畸變等效應能夠進一步的提升MAX相陶瓷材料的力學性能，為MAX相材料在實際工程中的應用提供了更多的可能性。“高熵化”的MAX相材料表現出比單一MAX相材料更加優異的力學性能，克服了傳統MAX相材料強度，硬度偏低的缺點，并且在高溫環境下仍能維持較高力學性能，這對開發在極端環境下工作的材料有著極為重要的意義。

發明內容

針對傳統MAX相陶瓷強度和硬度偏低的問題，為了進一步提高MAX相陶瓷的綜合性能，本發明提供一種制備MAX相高熵陶瓷材料的方法，以及通過該方法制備的MAX相高熵陶瓷材料。根據本發明的MAX相高熵陶瓷材料具有優異的綜合力學性能，例如具有優異的硬度、優異的斷裂韌性和彎曲性能。