[发明专利]N缺位高纯Ti2AlN粉体材料及其制备方法

说明书

一种N缺位非化学计量比高纯Ti₂AlN MAX粉体材料及其制备方法。本发明的镁基复合材料成分如下：Ti₂AlN中的N含量不在是1，而是可处于0.85和1.0区间内，如摘要图所示，a和c轴的晶格参数可以通过N含量来进行调节；其N缺位的Ti₂AlN陶瓷显微结构为疏松多孔，而且Ti₂AlN的晶粒大小可以调控。制备方法：(1)配料：将商用的Ti粉,Al粉and AlN粉按照Ti:Al:N＝2:(1.05‑1.0):(0.85‑1.0)的比例进行配比；(2)混料；(3)压坯；(4)烧结温度升在1400℃‑1480℃，保温在10‑40mins；(5)破碎及球磨；(6)干燥并过筛。

技术领域

一种N缺位非化学计量比高纯Ti₂AlN MAX粉体材料及其制备方法。

背景技术

可进行机械加工的新型三元层状金属陶瓷MAX材料，化学通式为M_n+1AX_n，M为过渡金属，A主要为IIIA和IVA簇元素，n＝1～3，X为C或N，对于不同的n值(n＝1、2或3)，构成211、312和413相。目前已合成有超过60种化合物及其固溶体，典型的有Ti₃SiC₂、Ti₃AlC₂、Ti₂AlC、Ti₂SnC、Nb₂AlC、Ti₃SiAlC₂和Ti₂AlSnC等。例如，Ti₂AlN作为MAX材料的一种，其具有分层的六方晶体结构，近乎密排的各个Ti层与Al层交叉，N原子填充Ti₆N的八面体位置，Al原子则位于具有较大空间的三方柱的中心。[参考文献：N.V.Tzenov和M.W.Barsoum,J.Am.Ceram.Soc.,2000,83[4]:825]与传统硬脆的SiC和TiC陶瓷不同，MAX材料表现出优良的韧性和可加工性，如Ti₂AlC的断裂韧性为6.5-7.9±0.1MPa·m^1/2。Barsoum等[参考文献：Barsoum,M.W.,et al.,Nature Materials,2003.2:p.107.]发现MAX相Mg，Ti，Zr和Zn等金属同属密排六方晶系，具备微塑变形机制，即内部形成的Incipient Kinking Bands(IKB)，循环压缩过程可大大吸收外界的能量。其特殊的晶体结构中，Ti原子与N原子之间的结合为强共价键，而Ti原子与Al原子之间为弱结合，类似于层状石墨，层间由范德华力结合。0.8MPa压强和60m/s滑动速度下，对低碳钢的干摩擦系数约为0.1，磨损率约为2.510-6mm³/Nm[参考文献：H-X Zhai，et al,Mater.Sci.Forum,2005[475-479]:1251]结构决定性能，⊥c轴的层与层之间在剪切力的作用下容易发生滑动，并发生类似金属的弯折带塑形变形。

目前，MAX材料可以通过M，A和X三个位置的固溶进行自身性能的调控[参考文献：Maxim Sokol et al.,Trends in Chemistry,1,2019]。但是，通过X位置缺位进行MAX材料性能的调控，尚未见报道。前期的研究表明，二元TiN中N含量可以在0.6-1.1区间内调节，其中，12.5％的N缺位可以使TiN的硬度从190GPa降低40GPa。[参考文献：Pierson,H.O.,Processing and Apps.1996:William Andrew]N含量低时，TiN_y表现出更多的金属特性，N含量高时，TiN_y表现出更多的陶瓷特性。这种具有金属和共价晶体的特点，使N的p轨道低于费米能级，从而导致自由电子的运动类似于在金属的d轨道上运动。这个独特性，TiN_y薄膜在微电子领域得到广泛应用，例如其对可见光和红外光的选择透滤。[参考文献：SavvidesN.,j.Appl.Phys,(64)1,1988，p.225-234]