[发明专利]以Cr、Zr或Nb为基的Mn

说明书

本发明所述以Zr、Cr或Nb为基的M_nAlC_n‑1相粉末的制备方法，M_nAlC_n‑1中，当n＝2时M为Cr、Nb或Zr，当n＝3时M为Zr，当n＝4时M为Nb；该方法以M‑Al合金粉末与碳源为原料，或者以M‑Al合金粉末与碳源为主要原料、以M或/和Al单质粉末为补充原料，有三种具体方法：1、将各原料组成的混合料与NaCl‑KCl混合盐按质量比1:1配料并混合均匀后在氩气保护下进行烧结，再将得到的烧结产物通过水洗、抽滤去除NaCl‑KCl后进行干燥，即得到M_nAlC_n‑1相粉末；2、将各原料组成的混合料在氩气保护下进行烧结，烧结完成后随炉冷却至室温即得到M_nAlC_n‑1相粉末；3、将各原料组成的混合料与无水乙醇混合后成形，再将成形后的混合料在真空条件烧结2～4h后取出，并对烧结产物进行粉碎，即得到M_nAlC_n‑1相粉末。

技术领域

本发明属于MAX相材料制备领域，特别涉及以Zr、Cr或Nb为基的M_nAlC_n-1相粉末的制备方法。

背景技术

M_nAlC_n-1是MAX相材料的一类，而MAX相材料是由早期过渡族金属元素M、主族元素A、以及X(碳、氮或碳氮)组成的一种三元层状金属陶瓷化合物，它综合了陶瓷材料和金属材料的许多优点，包括低密度、高模量、良好的导电、导热性能、抗热震性、抗损伤容限性以及优良的抗高温氧化性等优点，这得益于其独特的晶体结构：M-A之间以较弱的共价键和金属键结合，M-M之间以金属键结合。MAX相凭借其优异的性能在航空航天、电磁屏蔽、能源产业有较为广泛的应用。

以Zr、Cr或Nb为基的M_nAlC_n-1相粉末的制备方法，已公开的技术方案均是以纯金属M(或M的氢化物)和单质Al(或Al的碳化物)以及碳源为原料，采用在高温和较高压力下合成的工艺，或采用熔盐法合成工艺以降低合成温度。一般来讲，n的数值越高，合成温度越高，合成也越困难。例如，T.Lapauw等人公开的Zr₂AlC的制备方法(见T.Lapauw et al,Synthesis of the new MAX phase Zr₂AlC,Journal of the European Ceramic Society36(2016)1847–1853)，其合成原料为ZrH₂粉末、Al单质粉末以及碳粉，合成工艺为：首先在真空无压条件下以25℃/min的升温速率升温至1500℃左右，再施以7Mpa～20Mpa的压力保温30分钟，得到产物，然而产物中杂相较多(ZrC，ZrAl₂，Zr₃AlC₂等)；几乎同时，该作者又公开了Zr₃AlC₂的制备方法(见Synthesis of the novel Zr₃AlC₂ MAX phase,Journal ofthe European Ceramic Society 36(2016)943–947)，改变原料的配比，采用相同的原料和升温、加压工艺，制备得到了杂相较多的Zr₃AlC₂；Bharat等人公开了一种两步法制备Cr₂AlC的合成工艺，首先用金属铬和金属碳以2:1的摩尔比在1550℃下氩气条件下碳化1小时得到部反应的产物(CrC_x)，再将该部分反应的产物与Al以1:1.1的比例混合在1100℃氩气条件下保温2小时得到Cr₂AlC产物(见Bharat et al,Reaction Synthesis and PressurelessSintering of Cr₂AlC Powder,J.Am.Ceram.Soc.,93[6]1530–1533(2010))；Weibin Zhou等人公开了一种使用SPS烧结Nb₂AlC的方法，该法预先以20Mpa的压力预压成型，再在SPS烧结炉中以1450℃，30Mpa的压力烧结得到Nb₂AlC产物(见Rapid synthesis of highly pureNb₂AlC using the spark plasma sintering technique,Journal of Physics andChemistry of Solids 120(2018)218–222)；Hu等人公开了一种制备Nb₄AlC₃的方法(见InSitu Reaction Synthesis,Electrical and Thermal,and Mechanical Properties ofNb₄AlC₃,J.Am.Ceram.Soc.,91[7]2258–2263(2008))，将Nb粉、Al粉和碳粉以4:1.3:2.7的比例混合后以15℃/min的升温速率升至1700℃，再以5Mpa的压力保压60min得到目标产物Nb₄AlC₃。综上所述，制备以Nb、Zr或Cr为基的M_nAlC_n-1相粉末存在的主要问题是合成温度高且需在加压下进行合成，工艺较为复杂，产物物相不纯，这些问题导致制备成本高，难以进行批量化生产，使M_nAlC_n-1相粉末的产业化应用受到限制。