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摘 要

Nb₄AlC₃是一种新型可加工的三元层状陶瓷，其拥有金属和陶瓷材料的诸多

优异性能，并且高温性能优异，相比大多数其他三元层状结构陶瓷其韧性高，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 粉为原料，采用热压烧结法，在原位合成单相Nb₄AlC₃ 层状陶瓷的基础上，采用 Ti 置换Nb₄AlC₃中的 Nb 对其进行固溶改性。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，烧结性能以及力学性能的影响。

结果表明:Ti原子进入Nb₄AlC₃的晶格中变成了(Nb_1-x Ti_x)₄AlC₃固溶体。随着固溶度X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X为0.2 时，其抗弯强度和断裂韧性都达到最大值，分别能达509MPa和8.40MPa·m^1/2，比原单相Nb₄AlC₃的346MPa和7.10MPa·m^1/2分别提高47.1%和18.3%。固溶体存在穿晶断裂和沿晶断裂，这表明材料含有颗粒增韧机制和裂纹偏转机制。

关键词：Nb₄AlC₃ 固溶改性 原位合成 显微结构 力学性能

Study on Nb₄AlC₃ layered ceramics by solution modified

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 other ternary layered structural ceramics, it has broad application in high temperature structure ceramics. But its strength and hardness at room temperature are low, and the oxidation resistance is poor, all of these greatly affect its application. At present the study for the modification of compound and solid solution of Nb₄AlC₃ at home and abroad is also rare.

In this paper, Nb, Al, C powder as raw materials, by hot pressing sintering method, on the basis of enhancing single-phase Nb₄AlC₃ in situ synthesis, adopting Ti replacing Nb of Nb₄AlC₃ modifies solid solution. We analysis that different solid solubility and content of reinforced phase influence microstructure，sintering performance and mechanical performance of the duplex ceramics.

The results show that Ti-doped Nb₄AlC₃ forms (Nb_1-x Ti_x) ₄AlC₃ solid solution. As the solubility of x increases, the sintering properties did not change significantly, but the bending strength and fracture toughness of solid solution show an upward trend. When the solubility of x is 0.2, the bending strength and fracture toughness have reached the maximum of 509MPa and 8.40MPa • m^1/2, respectively, which are improved by 47.1% and 18.3%, compared with the original single-phase Nb₄AlC₃ of 346MPa and 7.10MPa • m^{1/ 2}. Solid solution exists transgranular fracture and intergranular fracture, which indicates that the material contains both particle toughening mechanisms and crack deflection mechanism.

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

properties

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 MAX 研究现状 1

1.2.1 MAX简介 1

1.2.2 MAX的分类 2

1.2.3 MAX主要制备方法 2

1.3 原位合成技术 5

1.4 Nb₄AlC₃的研究现状 6

1.4.1 Nb₄AlC₃的显微结构 6

1.4.2 Nb₄AlC₃的性能 6

1.4.3 Nb₄AlC₃的制备方法 9

1.4.4 Nb₄AlC₃的复合和固溶改性的研究进展 11

1.4.5 Nb₄AlC₃的应用 12

1.5 课题的提出与研究内容 13

1.5.1 课题的提出 13

1.5.2 研究内容 13

第2章 实验与表征 14

2.1 实验原料与设备 14

2.2 实验过程 14

2.2.1 工艺流程 14

2.2.2 配料 15

2.2.3 球磨 15

2.2.4 烧结 15

2.2.5 加工 15

2.3 表征与性能测试 15

2.3.1烧结性能测试 15

2.3.2力学性能测试 16

2.3.3相组成分析 17

2.3.4显微结构观察 17

第3章 (Nb_1-x Ti_x)₄AlC₃固溶体的研究与分析 18

3.1 可行性分析 18

3.2不同固溶度固溶体的烧结性能 18

3.3 不同固溶度固溶体的力学性能 18

3.4 不同固溶度固溶体的物相分析 20

3.5 显微结构分析 21

第4章 结论 23

参考文献 24

致 谢 27

第1章 绪 论

1.1 引 言

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