亮点文章|三元层状结构MAX相陶瓷材料的制备技术及其研究发展现状和发展趋势

题目：三元层状结构MAX相陶瓷材料的制备技术及其研究发展现状和发展趋势

作者：江涛

单位：西安石油大学材料科学与工程学院，陕西，西安，710065

关键词：三元层状结构MAX相陶瓷材料；可加工性能；制备技术；研究发展现状；发展趋势

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引言

三元层状结构陶瓷材料主要是指Mn+1AXn相。M是指金属元素，包括Ti，Nb，V，Cr等元素。A是中间金属元素包括Si，Al，Sn等元素。X是指非金属元素包括C，N等元素。n是指1，2，3等。三元层状结构MAX相陶瓷材料具有金属的特性还具有陶瓷的特性，三元层状结构MAX相陶瓷材料具有较高的力学性能，良好的耐磨损性能和良好的耐腐蚀性能，并具有良好的抗高温氧化性能等，还具有良好的可加工性能。三元层状结构MAX相陶瓷材料主要有Ti3SiC2，Ti4SiC3，Ti3AlC2，Ti2AlC，Ti4AlN3，Ti2AlN等。本文主要叙述三元层状结构MAX相陶瓷材料的制备技术，物相组成，显微结构，力学性能和耐磨损性能，耐腐蚀性能和抗高温氧化性能以及其他性能等。并叙述三元层状结构MAX相陶瓷材料的研究发展现状和发展趋势。并对三元层状结构MAX相陶瓷材料的未来研究发展趋势和发展方向进行分析和预测。

1 三元层状结构MAX相陶瓷材料的制备技术

三元层状结构MAX相陶瓷材料的制备技术包括粉末冶金技术，自蔓延高温合成工艺，原位反应自生法等。其中粉末冶金工艺包括热压烧结工艺，常压烧结工艺，放电等离子烧结工艺，热等静压烧结工艺，热压反应烧结工艺，原位反应自生法等。

2 三元层状结构MAX相陶瓷材料的研究发展现状和发展趋势

三元层状结构MAX相陶瓷主要有Ti3SiC2，Ti4SiC3，Ti3AlC2，Ti2AlC，Ti4AlN3，Ti2AlN等。本文主要叙述三元层状结构MAX相陶瓷材料的制备技术，物相组成，显微结构，力学性能和耐磨损性能，耐腐蚀性能和抗高温氧化性能以及其他性能等。并叙述三元层状结构MAX相陶瓷的研究发展现状和发展趋势。

2.1三元层状结构Ti3SiC2陶瓷材料的研究发展现状

推动材料的研发与应用，是我国实现制造业强国的必要条件。增材制造技术是制备宏观样品高通量制备的重要途径，通过高通量平台制备出满足要求的陶瓷粉体后，结合增材制造技术，可以实现陶瓷块体材料的高效制粉和成型，不仅实现了粉体材料本身的改性制备，还能够为陶瓷制造业高质量发展提供了一种新的手段和思路，大幅度提升了材料研发效率，具有十分重要的科学意义和应用价值。

2.2三元层状结构Ti4SiC3陶瓷材料的研究发展现状

Istomina等[31]研究了Ti4SiC3MAX相的碳热硅合成的优化工艺[31]。研究了Ti4SiC3MAX相在TiO2与元素Si复合还原剂真空碳热还原过程中的形成，分析了合成温度，热处理时间和元素硅百分比对起始Ti4SiC3产物上的混合物的影响。最佳Ti4SiC3合成条件如下：烧结温度为1550℃~1650℃，等温保持时间为360min，起始混合物组成为TiO2+1.2SiC+0.6Si。然后Ti4SiC3产物达到92wt%[31]。Istomin等[32]研究了SiC还原TiO2制备Ti3SiC2和Ti4SiC3MAX相陶瓷[32]。采用SiC作还原剂，采用高温真空还原法制备Ti3SiC2和Ti4SiC3MAX相陶瓷，然后在压力为25MPa，烧结温度为1600℃的条件下对产品进行热压烧结工艺。发现Ti3SiC2和Ti4SiC3都可以获得良好的产率，这取决于还原步骤中的退火时间。除MAX相外，产品还含有一定量的TiC。热压烧结步骤对产物的物相组成没有显著影响，表明Ti3SiC2和Ti4SiC3在这些条件下具有良好的稳定性。对样品致密化行为的分析表明Ti4SiC3与Ti3SiC2相比具有较低的延展性。这里制备的样品显示出粗粒度MAX相陶瓷具有较好的弯曲强度，断裂韧性和显微硬度[32]。Istomin等[33]研究了TiO2碳纳米管还原制备Ti3SiC2-Ti4SiC3-SiC陶瓷复合材料的性能[33]。采用真空碳纳米管还原法制备了致密的Ti3SiC2-SiC陶瓷复合材料，Ti4SiC3-SiC陶瓷复合材料和Ti3SiC2-Ti4SiC3-SiC陶瓷复合材料，然后在压力为25MPa，烧结温度为1600℃下热压烧结工艺合成的合成产物。在还原步骤中，单独使用SiC或与元素Si组合使用SiC作为还原剂。在反应混合物中加入三分之一过量的SiC，以确保在合成产物中存在约30vol%的SiC。在热压烧结步骤期间，与含有Ti4SiC3的样品相比，含有Ti3SiC2的样品显示出更好的致密化。所得复合材料具有粗粒度MAX相陶瓷的强度特性。在Ti3SiC2-SiC复合材料的抗弯强度为424MPa和Ti3SiC2-Ti4SiC3-SiC复合材料的抗弯强度为321MPa。两种复合材料的断裂韧性值都为5.7MPa·m1/2[33]。

2.3 三元层状结构Ti3AlC2陶瓷材料的研究发展现状

Wang等[34]研究了高温预氧化改善Ti3AlC2的中温抗氧化性能[34]。由于Al2O3保护层的形成，Ti3AlC2在高温下具有良好的抗氧化性能。然而，由于它直接暴露在500℃，特别是600℃的空气中，Ti3AlC2上形成的氧化皮由于氧化诱导的微裂纹而表现出比较差的保护性，这限制了这种重要材料在技术上的潜在应用。在这项工作中，通过在1000℃~1300℃下在空气中短时间2小时的预氧化，显著改善了Ti3AlC2在500℃和600℃下的抗氧化性能。预氧化的Ti3AlC2在600℃下的氧化通常遵循抛物线速率定律而不是在没有预氧化的情况下的加速线性关系。通过X射线衍射(XRD)，拉曼光谱结果和扫描电镜(SEM)观察显示，预氧化后抗氧化性能的显著改善归因于在预氧化期间在Ti3AlC2上形成的保护层，其抑制锐钛矿TiO2的形成，导致氧化诱导的微裂纹[34]。Xu等[35]研究了热压烧结工艺制备的Ti3AlC2在空气中的等温氧化行为[35]。研究了在300℃~1300℃空气中，在热处理过程中烧结2.8wt%TiC的块状Ti3AlC2空气中的等温氧化行为。等温氧化行为通常遵循抛物线速率定律。抛物线速率常数从在900℃增加到在1300℃。计算的活化能为136.45kJ/mol。结果表明，Ti3AlC2具有优异的抗氧化性能，这是由于连续，致密和粘合保护的鳞片由大量的α-Al2O3和少量的TiO2和Al2TiO5组成[35]。

2.4 三元层状结构Ti2AlC陶瓷材料的研究发展现状

Gonzalez-Julian等[48]研究了空间夹持技术处理多孔Ti2AlC及其表征[48]。Ti2AlC是最具发展前景的MAX相材料之一，因其在高温(<800℃)下具有高强度，良好的抗氧化性能和耐腐蚀性能，低热膨胀性能，易加工性能，高导热性能和抗热震性能等特性。

2.5 三元层状结构Ti4AlN3陶瓷材料的研究发展现状

Ivanova等[55]研究了等温烧结合成三元钛化合物Ti3AlC2和Ti4AlN3[55]。研究了真空等温烧结合成Ti3AlC2和Ti4AlN3。

2.6 三元层状结构Ti2AlN陶瓷材料的研究发展现状

Yan等[59]研究了Ti2AlN和Ti2AlN/TiN复合材料的循环氧化行为[59]。研究了Ti2AlN和Ti2AlN/TiN复合材料在800℃，900℃和1000℃下的循环氧化行为。通过X-射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)结合能谱分析(EDS)研究了样品的物相组成，氧化层厚度和元素含量。循环氧化行为通常遵循抛物线速率定律，具有良好的抗热震性能。

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