一种铌钛铝碳固溶体陶瓷材料及其制备方法 [0002] 铌铝碳（Nb4AlC3)陶瓷是一种新型的三元层状陶瓷材料，其结合了陶瓷和金属的 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、低的摩擦系数和良好的自润滑性能，且在三元层 状陶瓷家族中具有较高的韧性。更为重要的是铌铝碳陶瓷具有极其优异的高温力学性能， 因而在高温结构材料方面具有广阔的应用前景。但是铌铝碳陶瓷自身的室温强度和硬度 还不够理想，且抗氧化性能较差，这限制了其作为结构材料的应用。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。Salama等通过原位反应热压烧结制备了 (Nb，Ti) 2AlC固溶体陶瓷，钛的加入使得材料的抗氧化性能有所改善，但力学性能下降。
[0003] 本发明的目的在于提供一种致密的铌钛铝碳固溶体陶瓷材料，本发明的另一目的 是提供上述铌钛铝碳固溶体陶瓷材料的制备方法。 [0004] 本发明的技术方案：通过钛固溶置换铌铝碳（Nb4AlC3)中的部分铌来改善铌铝碳 陶瓷材料的力学性能和抗氧化性能。以铌粉、氢化钛粉、铝粉和石墨粉为原料，采用原位热 压烧结制备方法，固溶和材料的致密化一步完成。 [0005] 本发明的具体技术方案为：一种铌钛铝碳固溶体陶瓷材料，其特征在于：铌钛铝 碳固溶体陶瓷材料的化学式为（ΝΙν χ--χ)4ΑΚ：3, Ti取代Nb的原子摩尔取代量X的范围为0 < X彡0. 3 ;优选Ti取代Nb的原子摩尔取代量X的范围为0. 05彡X彡0. 3。
[0006] 本发明还提供了上述铌钛铝碳固溶体陶瓷材料的制备方法，其具体步骤为：按铌 钛铝碳固溶体陶瓷材料的化学式为（NlvJU 4A1C3 (0 < X < 0. 3)称取原料铌粉、氢化钛粉、 铝粉和石墨粉，原料经物理机械方法混合，装入表面涂有BN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。
[0007] 优选上述的银粉粒度为325目筛余；氢化钛粉粒度为300目筛余；错粉粒度为200 目筛余；石墨粉粒度为1200目筛余。
[0008] 优选上述的物理机械方法混合为滚磨。优选所述的冷压成型压力为1?3MPa。优 选烧结过程中的保护气氛为氩气。
[0009] 优选真空热压炉中热压烧结的工艺为：升温速率为15?25°C /min ;烧结温度为 1680?1720°C，烧结保温时间为1-2小时；烧结压强为25?30MPa。
[0010] 有益效果：
[0011] (1)以铌粉、氢化钛粉、铝粉和石墨粉为原料，采用原位热压烧结技术，一步制得铌 钛铝碳固溶体陶瓷材料，工艺简单，成本低。
[0012] (2)采用本发明方法制备的钛铌铝碳（NbhTix)4AlC 3固溶体陶瓷材料中钛的固溶 度X可在0?0. 3之间可调，材料中物相纯净，仅含铌钛铝碳固溶体一相，无 NbC、TiC等杂 相。
[0013] (3)采用本发明方法制备的铌钛铝碳陶瓷材料结构致密、晶界干净，材料力学性能 优异，抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度相比于铌铝碳陶瓷显著提高。
[0014] (4)铌钛铝碳固溶体陶瓷材料在1000?1200°C空气中的氧化遵循抛物线规律，与 铌铝碳陶瓷相比抗氧化性显著提高。




[0015] 图1是实施例1制备的（％_χ--χ)4ΑΚ： 3(Χ = 0. 2)固溶体陶瓷材料的XRD图谱；
[0016] 图2是实施例1制备的（ΝΙνχ--χ)4ΑΚ： 3(Χ = 0. 2)固溶体陶瓷材料的表面SEM照 片；
[0017] 图3是实施例1制备的（％_χ--χ)4Α1(： 3(Χ = 0. 2)固溶体陶瓷材料的断口 SEM照 片。


[0018] 以下实施例所用原料：铌粉粒度为325目筛余；氢化钛粉粒度为300目筛余；铝粉 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Nb:TiH2:Al:C = 3. 2:0. 8:1. 1:2. 7配料，称取后于聚乙烯罐 中干混24小时，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷压成型，压力3MPa，并于氦气气氛 中烧结，升温速率为15°C /min，加热到1700°C保温1小时，压力30MPa。获得的块体材料 为（NbaJiMhAlQ。对制得材料进行XRD分析（如图1所示），结果表明该材料的物相为 单一的（Nb a8Tia2)4AlC3固溶体。对材料表面和断面SEM分析（如图2和图3所示），层状 (Nb a8Tia2)4AlC3晶粒清晰可见，结构致密、均匀。采用阿基米德法测得材料的显气孔率为 0. 09 %，在万能试验机上测得材料的三点抗弯强度达到508. 9MPa，采用单边缺口梁法测得 材料断裂韧性达到8. 4MPa ·πι1/2,通过显微硬度仪测得维氏硬度为3. 6GPa，通过恒温氧化实 验测得材料在l〇〇〇°C空气中氧化20h后单位面积氧化增重为0. 35Kg/m2。
[0021] 实施例2
[0022] 原料粉末按摩尔比Nb:TiH2:Al:C = 3. 8:0. 2:1. 1:2. 7配料，称取后于聚乙烯 罐中干混24小时，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷压成型，压力IMPa，并于氩气 气氛中烧结，升温速率为25°C /min，加热到1680°C保温2小时，压力25MPa，获得块体材 料为（Νν95--α(ι5) 4Α1(：3。采用阿基米德法测得材料的显气孔率为0. 1%，在万能试验机 上测得材料的三点抗弯强度达到370. 29MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧性达 到7. 3MPa · m1/2,通过显微硬度仪测得维氏硬度为3. lGPa，通过恒温氧化实验测得材料在 1000°C空气中氧化20h后单位面积氧化增重为0. 89Kg/m2。
[0023] 实施例3
[0024] 原料粉末按摩尔比Nb:TiH2:Al:C = 2. 8:1.2:1. 1:2. 7配料，称取后于聚乙烯 罐中干混24小时，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷压成型，压力2MPa，并于氩气 气氛中烧结，升温速率为20°C /min，加热到1720°C保温1小时，压力30MPa，获得块体材 料为（Nba7Tia3)4AlC3。采用阿基米德法测得材料的显气孔率为0. 18%，在万能试验机 上测得材料的三点抗弯强度达到395. 9MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧性达 到7. 7MPa · m1/2,通过显微硬度仪测得维氏硬度为4. 4GPa，通过恒温氧化实验测得材料在 1000°C空气中氧化20h后单位面积氧化增重为0. 21Kg/m2。
[0025] 比较例
[0026] 原料粉末按摩尔比Nb:Al:C = 4:1. 1:2. 7配料，称取后于聚乙烯罐中干混24小 时，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷压成型，压力3MPa，并于氩气气氛中烧结，升温速 率为升温速率为15°C /min，加热到1700°C保温1小时，压力30MPa，获得块体材料为Nb4AlC3 陶瓷，采用阿基米德法测得材料的显气孔率为〇. 17%，在万能试验机上测得材料的三点抗 弯强度为339MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧性为7. IMPa ·πι1/2,通过显微硬度仪 测得维氏硬度为2. 6GPa，通过恒温氧化实验测得材料在1000°C氧化20h的单位面积氧化增 重为 1. 46Kg/m2。