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近来,一族三元层状结构陶瓷Mn+1AXn因为它独特的性能而得到了材料学家和物理学家的广泛关注,其中M是过渡族金属元素,A是ⅢA或ⅣA族元素,X是C和/或N,n=1,2,3。作为其中最近才发现的一种新化合物,Ta2AlC作为H相的典型代表,兼具陶瓷和金属的优点。在常温下,有很好的导热性能和导电性能,有较低的Vickers显微硬度和较高的弹性模量和剪切模量,像金属一样可进行机械加工,并在较高温度下具有塑性;同时它又具有陶瓷的性能,有较高的屈服强度、高熔点、高热稳定性和良好的抗氧化性能。因此,Ta2AlC是一种潜在的有广泛应用前景的结构/功能一体化新型陶瓷材料。因此,在本研究中,探索Ta2AlC合成,并得到了制备高纯度块体Ta2AlC的简便制备方法。同时,对制备材料的显微结构,力学性能,电和热性能,以及腐蚀性能进行研究。
以Ta粉、Tac粉、Al粉为原料,采用热压工艺合成Ta2AlC块体材料。通过对不同温度下合成试样的XRD分析,探讨了Ta2AlC合成可能存在的反应路径,并结合扫描电子显微镜(SEM)观察合成试样的显微结构。研究结果表明,TaC和Ta-Al金属间化合物是热压工艺合成Ta2AlC的中间产物。Ta2AlC由Ta2C和Al或Tac和Ta-Al间金属化合物在1450℃到1500℃间反应合成,当温度上升到1550℃,试样中出现了大量的Ta4AlC3。
研究了材料的Ta2AlC部分力学性能和电性能,热性能。材料的维氏硬度为5.3GPa,抗压强度,弯曲强度,断裂韧性分别为748 MPa,402MPa,6.9 MPa·m1/2。低硬度和抗破坏能力保证了陶瓷中很少见的可加工性。Ta2AlC的常温热导率和常温热容,分别为31.3 W/m·K.和84.5J/(mol·K),从25℃到1100℃平均热膨胀系数8.1×10-6K-1,具有典型的金属导体特征。
通过静态腐蚀实验和电化学手段分析了Ta2AlC在各种酸碱溶液中的腐蚀行为。Ta2AlC在各种酸碱溶液中表现出了良好的抗腐蚀性,浸泡150天后几乎没有质量损失。电化学极化曲线也表明,Ta2AlC存在很宽的钝化区间。钝化原因是因为在酸碱性作用下,晶体表面的Ta偏离平衡位置,能与有未配对电子的氧形成强的化学键,导致氧的吸附,形成化学吸附层。Ta原子的不饱和键吸附氧后饱和,Ta表面原子便失去了原有的活性,Ta原子不再从晶格中移出,钝化产生。