[发明专利]一种制备MAX相高熵陶瓷材料的方法

说明书

本发明提供了一种制备MAX相高熵陶瓷材料的方法，其包括如下步骤：1)配制复合粉末，将过渡金属粉末、过渡金属氢化物粉末、对应的过渡金属碳化物粉末以及铝粉进行混合配制复合粉末；2)将在步骤1)得到所述复合粉末分散于助磨剂中，进行球磨得到混合浆料，并进行真空干燥，并进行过筛；3)将步骤2)得到的混合粉末置于钢模中，进行预压成形，得到陶瓷素胚；4)将步骤3)得到陶瓷素胚置于将石墨模具中，在真空条件下，在45～55MPa的加载压力下，1300～1500℃的温度下进行压力烧结，即得到MAX相高熵陶瓷。本发明还提供一种通过所述方法制备的MAX相高熵陶瓷材料，所述的MAX相高熵陶瓷材料具有优异的力学性能。

技术领域

本发明属于结构陶瓷材料技术领域，更具体的涉及一种制备具有优异综合力学性能的MAX相高熵陶瓷材料的方法，以及由该方法制备得到的MAX相高熵陶瓷材料。

背景技术

MAX相陶瓷是一类具有高长轴比和化学键各向异性的六方结构陶瓷。它兼具金属和陶瓷的优点，如低密度、高模量、高损伤容限以及良好的抗热震性能和导电性等，具有广阔的应用前景，有望用于高温密封件、核燃料包壳材料、新型电刷和电极等。但是，与传统的陶瓷材料相比，MAX相的硬度(2～6GPa)和强度较低，这大大限制了其在工程实际中的应用，所以提高其力学性能十分必要。近年来，众多研究人员尝试通过固溶强化、第二相颗粒强化和织构强化等强化方式提升MAX相的力学性能。例如，有研究表明，在热压烧结工艺制备的Ti₂AlC陶瓷中通过添加一定量的V，通过V取代Ti的位置从而实现了陶瓷材料维氏硬度和强度的提高(Meng F L等人，Strengthening of Ti2AlC by substituting Ti with V[J].Scripta Materialia,2005,53(12):1369-1372.)。此外，通过在MAX相基体中引入TiC、SiC、Al₂O₃、TiB₂、Y₄Al₂O₉、cBN、ZrC等第二相颗粒，均可以提高其力学性能。这可以归因于以下几点：(1)第二相颗粒本身具有较高的硬度和模量，能增强MAX相基体的抗变形能力；(2)第二相颗粒的添加，使MAX相基体的晶粒细化；(3)第二相颗粒与MAX相基体界面结合较好，同时具有对基体位错钉扎的作用(何乃如等人，MAX相陶瓷强化方式及机理研究进展[J].中国陶瓷,2019,55(09):1-9.)。另外，利用一定的微结构调控手段，如热加工法、模板晶粒生长法、强磁场定向法，使晶粒在陶瓷材料中沿着特定的方向进行规则排布，形成织构是提高陶瓷材料性能的一个有效途径。通过为MAX相陶瓷制备高织构化的微观结构，可以使其具有明显的各向异性的物理性能和力学性能。

“高熵”是近年来出现的新的材料设计理论，目前已成为材料研究领域的一大热点，其概念最初由高熵合金发展而来。2004年中国台湾学者叶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.)，高熵合金是将多种合金元素以近等原子比固溶到一起，形成单相的固溶体。随着研究的不断深入，高熵的概念逐渐拓展到其他材料中，如高熵金属玻璃、高熵陶瓷、高熵热电材料、高熵聚合物等。多主元所引起的“高熵效应”能有效提高材料的热力学稳定性，降低材料的烧结温度，本发明利用多主元产生的“高熵效应”来提升MAX相陶瓷材料的性能，“高熵化”所引起的固溶强化，晶格畸变等效应能够进一步的提升MAX相陶瓷材料的力学性能，为MAX相材料在实际工程中的应用提供了更多的可能性。“高熵化”的MAX相材料表现出比单一MAX相材料更加优异的力学性能，克服了传统MAX相材料强度，硬度偏低的缺点，并且在高温环境下仍能维持较高力学性能，这对开发在极端环境下工作的材料有着极为重要的意义。

发明内容

针对传统MAX相陶瓷强度和硬度偏低的问题，为了进一步提高MAX相陶瓷的综合性能，本发明提供一种制备MAX相高熵陶瓷材料的方法，以及通过该方法制备的MAX相高熵陶瓷材料。根据本发明的MAX相高熵陶瓷材料具有优异的综合力学性能，例如具有优异的硬度、优异的断裂韧性和弯曲性能。