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摘 要

Nb₄AlC₃是一个相对年轻的三元层状碳化物(MAX相)，拥有金属和陶瓷材料的许多优异性能，尤其是高温性能优异，相比大多数其他三元层状结构陶瓷其韧性高，其抗弯强度可维持到1400℃而不出现下降，弹性模量可维持到1580℃而仅降低21%，在高温结构陶瓷方面有着广阔的应用。但是其在常温下的强度和硬度都较低，并且其抗氧化性也较差，这些都极大地影响了其应用。目前针对Nb₄AlC₃复合及固溶改性的研究在国内外还并不多见。

本文以 Nb、Al、C、W 粉为原料，在1700℃、30MPa的压力下，原位反应热压烧结制备出了不同固溶度的(Nb_1-XW_X)₄AlC₃固溶体。W的固溶对于材料的烧结致密化无明显影响，着重分析了不同固溶度的复相陶瓷对此复相陶瓷物相组成，显微结构以及力学性能的影响。

在不同固溶度的(Nb,W)₄AlC₃固溶体中，随着固溶度的增加,其烧结性能变化并不明显，而其抗弯强度和断裂韧性基本呈上升趋势。当固溶度达0.3 时，其抗弯强度和断裂韧性都达到最大值，分别能达538MPa和9.6MPa·m^1/2，因此该点为固溶改性中力学性能最佳点。

关键词：Nb₄AlC₃ 固溶改性 原位合成 显微结构 力学性能

Preparation and properties of W solid solution strengthening Nb₄AlC₃ ceramics

ABSTRACT

Nb₄AlC₃ is a new kind of ternary layered compounds (MAX phases)which combines the merits of both metals and ceramics, and has excellent high temperature resistance, its toughness is better than most of the other ternary layered structural ceramics,the flexural strength doesn`t decrease until room-temperature up to 1400℃,and its young`s modulus can maintain up to 1580℃ with a reduction of only 21%,indicating a good prospect of application as a high temperature structural material. But its strength and hardness at room temperature is low, and the oxidation resistance is poor, all of these greatly affect the application. At present the study for the modification of compound and solid solution of Nb₄AlC₃ at home and abroad, also does not see more.

Fully dense (Nb_1-XW_X)₄AlC₃ solid solutions were fabricated by in situ hot-pressing at 1700℃ under 30 MPa using Nb,Al,W and C powders as raw materials,respectively. The solid solution of W shows little influence on the sintering densification of the materials. We analysis that different solid solubility and content of reinforced phase influence microstructure and mechanical performance of the duplex ceramic.

In the solid solution of different solid solubility, the sintering performance has no obvious regularity, and its bending strength and fracture toughness is on the rise. When solid solubility is 0.3, the bending strength and fracture toughness are maximum, respectively, can be up to 538 MPa and 9.6 MPa·m^1/2 ,it has the best mechanical properties.

Keywords: Nb₄AlC₃, solution modified, in-situ synthesis, Microstructure, mechanical

properties

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 MAX的研究现状 1

1.2.1 MAX的结构与组成 2

1.2.2 MAX的性能及应用 3

1.2.3 MAX主要制备方法 4

1.2.4 MAX的固溶改性研究进展 6

1.3 Nb₄AlC₃的研究现状 8

1.3.1 Nb₄AlC₃的发现 8

1.3.2 Nb₄AlC₃ 的结构 8

1.3.3 Nb₄AlC₃ 的性能 9

1.3.4 Nb₄AlC₃的制备方法 11

1.3.5 Nb₄AlC₃的应用 12

1.4课题的提出与研究内容 13

1.4.1 课题的提出 13

1.4.2 课题研究内容 13

第二章 实验 13

2.1实验原料及设备 13

2.2 实验过程 13

2.2.1 工艺流程 13

2.2.2 配料 14

2.2.3 球磨 14

2.2.4 烧结 14

2.2.5加工 14

2.3 表征与性能测试 15

2.3.1 烧结性能测试 15

2.3.2 相组成分析 15

2.3.3 显微结构观察 15

2.3.4 力学性能测试 15

第三章 (Nb_1-xW_x)₄AlC₃固溶体的结果与讨论 18

3.1 不同固溶度固溶体的物相组成 18

3.2 不同固溶度固溶体的烧结性能 18

3.3 显微结构分析 19

3.4 不同固溶度固溶体的力学性能 21

3.5 W固溶强化Nb₄AlC₃的机理分析 23

第四章 结论 24

参考文献 25

致谢 29

第一章 绪论

1.1引言

众所周知，一般陶瓷材料的机械性能较差，有着较高的脆性和很低的断裂韧性，这些特性使得其应用收到很大的限制^[1]最近，一类具有层状结构的三元纳米化合物受到了材料科学工作者的广泛重视^[2,3] 。他们同时具有金属和陶瓷的优良性能。在室温下导热性和导电性较好， Vickers硬度不高，弹性模量和剪切模量较大；与此同时，它的屈服强度高、熔点高、热稳定性好并且抗氧化性能也好；它们还有优于石墨和MoS₂的自润滑性能，这很有意义。简言之，这类材料具有低密度、高模量、抗热震、导电导热性好、可加工和优良的高温抗氧化性能。可用统一的分子式M_{n 1}AX_n来表示这类化合物。Nb₄AlC₃ 就是这样的一类化合物 (其中，M为早期过渡金属，A主要为ⅢA和ⅣA族元素，X为C和N。当n=3时，称为413相) Nowotny等科学家在60一70年代合成了总数超过100多种的这类化合物。此类化合物代表新发现的固体物质，可描述为：具有稳定的热力学性质的纳米级层状化合物。

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