一种致密铌铝硅碳固溶体材料及其制备方法 [0002] 铌铝碳（Nb4AlC3)是一种新型的三元层状陶瓷材料，其综合了金属与陶瓷的诸 多优点，具有高的电导率和热导率、优良的损伤容限，有延展性和高温塑性，可机械加工， 同时又具有较低的密度、高的熔点和弹性模量、低的磨擦系数和良好的自润滑性能。更为 重要的是Nb 4AlC3具有非常优异的高温力学性能，在高温结构材料与电极或电刷材料方面 具有广阔的应用前景。但是Nb 4AlC3的室温强度和硬度还不够理想，抗氧化性较差，大大 限制了其作为高温结构材料的应用。固溶改性是提高三元层状陶瓷材料力学性能和综合 性能的有效手段。Zhou等通过原位反应热压烧结制备了一系列Ti 3AlhSixC2U彡0. 25) 固溶体，Ti3Ala75Sia25C2的维氏硬度、抗弯强度和抗压强度分别比Ti 3AlC2提高了 26%、 12%和 29%，其电导率仍高达 2. 7XlO6 Ω η .πΓ1，（Zhou Y C, Zhang H B, Liu M Y, Wang J Y，Bao Y W，Preparation of TiC free Ti3SiC2with improved oxidation resistance by substitution of Si with Al. Material Research Innovations，（8)2004,97-102)〇 Meng 等通过原位反应热压烧结的方法制备了不同固溶度的（Ti, v)2aic固溶体。（Titl. A1. 2)2aic 的维氏硬度、抗弯强度和剪切强度分别比Ti2AlC提高了 29 %、36 %和45 %，其电导率仍 高达（Meng F L, Zhou Y C, Wang J Y, Strengthening of Ti2AlC by substituting Ti with V. Script Materialia, (53) 2005, 1369 ?1372)。Yu 等通过原位反应热压烧结制备 了 Cr2Ala 965Siatl35C固溶体，其抗弯强度和断裂韧性分别比Cr2AlC提高了 16%和6% (Yu W B, Li S B, Sloof W G, Microstructure and mechanical properties of a Cr2Al(Si)C solid solution. Materials Science and Engineering A, (527)2010, 5997 ?6001)〇 目 前，关于Nb4AlC3的固溶改性研究国内外均无报道。
[0003] 本发明的目的在于为了改进现有技术的不足而提供一种致密铌铝硅碳固溶体材 料；本发明的另一目的是提供上述致密铌铝硅碳固溶体材料的制备方法，该方法操作简单、 工艺条件容易控制。 [0004] 本发明的技术方案：一种致密铌铝硅碳固溶体材料，其特征在于其结构式为 Nb4AlhSixC3U为Si取代Al的原子摩尔取代量），其中X的取值范围为0. 03?0. 08。 [0005] 本发明还提供了上述致密铌铝硅碳固溶体材料的方法，其具体步骤为：将原 料银粉、错粉、娃粉与石墨粉，按摩尔配比为n(Nb) :n(Al) :n(Si) :n(C) = 4: (1. 02? I. 07) : (0. 03?0. 08) : 2. 7经物理机械混料方法混合均匀后，装于表面涂有BN保护涂层的 石墨模具中冷压成型，在通有保护气氛的真空热压炉中热压烧结。
[0006] 优选上述原料铌粉、铝粉、硅粉与石墨粉均为微米粉；其中铌粉粒度为325目筛 余,错粉粒度为300目筛余,娃粉粒度为200目筛余,石墨粉粒度为1200目筛余。
[0007] 优选所述的物理机械混料方法为滚磨。
[0008] 优选在热压炉内热压烧结时，升温速率为15?25°C /分钟；烧结温度为1680? 1720°C;烧结时间为1?2h，当达到烧结温度后，控制烧结压力为25?30MPa。优选烧结过 程中的保护气氛为氩气。
[0009] 本发明的实质是利用原位反应热压烧结制备铌铝硅碳固溶体，其基本原理是以铌 粉、铝粉、硅粉和石墨粉为原料，热压烧结一步制得致密的Si置换铌铝碳（Nb 4AlC3)中的部 分Al而形成的铌铝硅碳固溶体（Nb4AlhSi xC3)，Si的固溶度X可在0. 03?0. 08之间可调。 由阿基米德法测得该材料的显气孔率低于0. 5 %。
[0010] 有益效果：
[0011] (1)以Nb粉、Al粉、Si粉和石墨粉为原料，采用原位反应热压烧结，一步制得致密 的铌铝硅碳固溶体，工艺简单，成本低，且材料中硅固溶度可调。
[0012] (2)原位反应热压烧结制备的铌铝硅碳固溶体结构致密，晶界干净，Si置换Al提 高了材料中的价电子浓度，材料的强度、韧性和硬度显著提高。
[0013] ⑶铌铝硅碳固溶体仍然保持了良好的导电性，可放电加工，可用作电极或电刷材 料。
[0014] (4)由于Si元素的引入，铌铝硅碳固溶体的抗氧化性相对于铌铝碳明显改善。
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[0018] 下面通过实施例详述本发明，实施例中的铌粉粒度为325目筛余，铝粉粒度为300 目筛余，硅粉粒度为200目筛余，石墨粉粒度为1200目筛余。
[0019] 实施例1
[0020] 原料粉末按摩尔比 n(Nb) :n(Al) :n(Si) :n(C) = 4:1. 02:0. 08:2. 7 称取后于聚乙 烯罐中干混24h，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷压成型并于氩气氛中热压烧结。以 25°C /min的升温速度升至1700°C，达到烧结温度后加压至压力30MPa原位反应热压烧结 lh。获得块体材料是Nb4Ala92Siatl8C3，利用阿基米德法测得其显气孔率为0. 41 %，在万能试 验机上测试材料的三点抗弯强度达到528MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧性达到 7. 9MPa · m1/2,采用压痕法测得材料的维氏硬度达到3. 5GPa，采用四探针法测得材料的电导 率为0. 9X IO6Q+1 ?πΓ1，通过恒温氧化实验测得材料在700°C氧化20h的单位面积氧化增重 为〇. 55千克/平方米。对制得材料进行XRD分析，材料的物相为Nb4Ala92Sia W3。对材料 表面和断口进行SEM分析，材料显微结构均匀，层状Nb4Al a92Siatl8C3晶粒清晰可见。
[0021] 实施例2
[0022] 原料粉末按摩尔比 n(Nb) :n(Al) :n(Si) :n(C) = 4:1.05:0.05:2. 7 称取后于聚乙 烯罐中干混24h，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷压成型并于氩气氛中热压烧结。以 15°C /min的升温速度升至1680°C，达到烧结温度后加压至压力30MPa原位反应热压烧结 2h。获得块体材料是Nb4Al a95Siatl5C3，利用阿基米德法测得其显气孔率为0. 37%，在万能试 验机上测试材料的三点抗弯强度达到518MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧性达到 7. 7MPa ·πι1/2,采用压痕法测得材料的维氏硬度达到3. 3GPa，采用四探针法测得材料的电导 率为I X IO6 Ω ·πΓS通过恒温氧化实验测得材料在700°C氧化20h的单位面积氧化增重为 0.62千克/平方米。
[0023] 实施例3
[0024] 原料粉末按摩尔比 n(Nb) :n(Al) :n(Si) :n(C) = 4:1.07:0.03:2. 7 称取后于聚乙 烯罐中干混24h，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷压成型并于氩气氛中热压烧结。以 20°C /min的升温速度升至1720°C，达到烧结温度后加压至压力25MPa原位反应热压烧结 lh。获得块体材料是Nb4Ala97Siatl3C3固溶体，利用阿基米德法测得其显气孔率为0. 31%，在 万能试验机上测试材料的三点抗弯强度达到462MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧 性达到7. 3MPa ·πι1/2,采用压痕法测得材料的维氏硬度达到2. 8GPa，采用四探针法测得材料 的电导率为I. 2X IO6Q+1 ?πΓ1，通过恒温氧化实验测得材料在700°C氧化20h的单位面积氧 化增重为0. 67千克/平方米。
[0025] 比较例：
[0026] 原料粉末按摩尔比n(Nb) :n(Al) :n(C) = 4:1. 1:2. 7称量后，按照实施例1所用 工艺参数制得单相致密Nb4AlC3陶瓷。采用阿基米德法测得其显气孔率为0. 37%，在万能 试验机上测试材料的三点抗弯强度为332MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧性为 7. IMPa · m1/2,采用压痕法测得材料的维氏硬度为2. 6GPa，采用四探针法测得材料的电导率 为I. 3X IO6Q+1 ?πΓ1，通过恒温氧化实验测得材料在700°C氧化20h的单位面积氧化增重为 0.78千克/平方米。