白 陽，劉錦云，金應(yīng)榮

(西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

三元層狀陶瓷Cr2AlC的研究進(jìn)展

白 陽，劉錦云，金應(yīng)榮

(西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039)

Cr2AlC特殊的晶體結(jié)構(gòu)使其兼具金屬與陶瓷的性能，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。本文對(duì)Cr2AlC的晶體結(jié)構(gòu)、合成方法、性能及應(yīng)用方向進(jìn)行了闡述，指出未來的研究方向是開發(fā)新技術(shù)提高合成Cr2AlC的純度并簡(jiǎn)化工藝、降低成本，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量Cr2AlC的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

新型材料；陶瓷材料；Cr2AlC

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，特別是電子信息、航空航天等領(lǐng)域的快速進(jìn)步，對(duì)綜合性能優(yōu)異的新型材料需求迫切，使得高性能、低能耗和低成本的材料在各行各業(yè)中逐漸嶄露頭角。各類新型材料的出現(xiàn)并逐漸形成體系，對(duì)經(jīng)濟(jì)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起著重要的作用，新材料已成為各行各業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

Mn+1AXn(n = 1，2，3，M是過渡金屬；A是IIIA 或IVA主族元素；X是C或N)是屬于六方晶系的一系列碳化物或氮化物。按n = 1，2，3分別稱為211相、312相、413相。目前，在實(shí)驗(yàn)中研究較多的M2AX相有大約50種[1-6]，M3AX2相3種(分別是Ti3SiC2、Ti3AlC2和Ti3GeC2)。這些化合物均為層狀六方結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)為Mn+1層與Xn層之間為A原子構(gòu)成的平面原子層，層與層之間間隔堆垛，空間群為P63/mmc。由于這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其同時(shí)具有金屬和陶瓷的特點(diǎn)。在Mn+1AXn化合物中，M-A鍵具有金屬鍵的特征，使材料具有良好的導(dǎo)電性能，M-X鍵具有共價(jià)鍵與離子鍵的特征，使材料具有高強(qiáng)度。因此這類材料就兼具了金屬的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱、可加工性能與陶瓷的抗氧化、高耐磨性能。正是由于Cr2AlC 陶瓷的這些特點(diǎn)，使其在未來的發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景，越來越受到研究者的青睞。

1 Cr2AlC的晶體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

Cr2AlC屬六方晶系，是Cr－Al－C體系中唯一的層狀三元化合物。晶格常數(shù)為a = 0.286 mm，c = 1.282 mm，理論密度為5.229 g/m3，屬于P63/mmc對(duì)稱空間群。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。緊密堆積的Cr原子組成正八面體結(jié)構(gòu)，八面體兩兩共棱；C原子填充于Cr原子組成的正八面體結(jié)構(gòu)的中心孔隙位置，Al原子平鋪成平面層，將Cr原子與C原子組成的八面體層分隔開，Al原子的平面層與Cr原子的八面體層間隔排列，形成ABABAB[0001]層狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。Cr原子與C原子以強(qiáng)σ鍵結(jié)合，這使Cr2AlC具備了高熔點(diǎn)、高彈性模量等性能。Cr原子與AB層的Al原子以金屬鍵結(jié)合，因此材料具有了類似于金屬的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能。同時(shí)，Al原子與Cr原子形成的ABABAB層狀結(jié)構(gòu)類似于石墨層間范德華力的弱鍵結(jié)構(gòu)，使材料具有良好的自潤(rùn)滑性能。

圖1 Cr2AlC的晶體結(jié)構(gòu)Fig.1 Crystal structure of Cr2AlC

圖2 Cr2AlC的晶面原子排列Fig.2 Arrangement of atoms on a plane of Cr2AlC

2 Cr2AlC的合成方法

2.1 無壓燒結(jié)法

無壓燒結(jié)是制備Cr2AlC的傳統(tǒng)方法，該方法是將試樣放入真空管式爐中進(jìn)行燒結(jié)，自行控制升溫速率，燒結(jié)完成后隨爐冷卻至室溫。該方法的特點(diǎn)是成本低，操作簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但其缺點(diǎn)是燒結(jié)產(chǎn)物晶粒尺寸較大，致密度與純度不高，相關(guān)力學(xué)性能不理想。關(guān)春龍[7]等采用無壓燒結(jié)法合成Cr2AlC 陶瓷粉體。以Cr3C2粉、Al粉、Cr粉為原料，按摩爾比Cr3C2∶Al∶Cr＝1∶(2.1/2.15/2.2)∶1的比例在氬氣氣氛的保護(hù)下，于700-1400 ℃范圍內(nèi)，以5 ℃/min升溫至目標(biāo)溫度，保溫30 min后制得樣品。研究表明，當(dāng)反應(yīng)物摩爾比為Cr3C2∶Al∶Cr＝1∶2.2∶1，溫度為1250 ℃時(shí)，樣品中有少量的Cr7C3雜質(zhì)存在，當(dāng)溫度升高到1350 ℃時(shí)，生成物Cr2AlC中基本沒有雜質(zhì)，純度較高。溫度低于800 ℃時(shí)，Cr3C2和Al反應(yīng)生成Cr2AlC和Al4C3。950 ℃時(shí)中間生成物Cr2Al和C反應(yīng)得到Cr2AlC。1350 ℃時(shí), Cr2Al、Cr3C2和Al反應(yīng)生成Cr2AlC。Xiao[8]等人以Cr2Al和C為原料采用無壓燒結(jié)法合成Cr2AlC。按摩爾比Cr2Al∶C＝1∶1的比例，在氬氣氣氛保護(hù)下1050-1400 ℃范圍內(nèi)，保溫15 min成功制備出Cr2AlC 粉體。結(jié)果表明，當(dāng)溫度為1050 ℃時(shí)，樣品中除目標(biāo)產(chǎn)物Cr2AlC外,還含有Cr2Al和C。當(dāng)溫度升高到1200 ℃時(shí)，樣品中的Cr2Al和C含量急劇減少，產(chǎn)物基本為高純的Cr2AlC。Hyeon－Cheol Oh[9]等人用兩種不同晶粒尺寸的原料在1200 ℃氬氣條件下制得含少量Cr2Al的Cr2AlC。

2.2 熱壓燒結(jié)法

熱壓燒結(jié)法是將原料填充在模具內(nèi)，加熱與加壓同時(shí)進(jìn)行，使成型與燒結(jié)同時(shí)完成的一種燒結(jié)方法。熱壓燒結(jié)法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以大大降低成型壓力、縮短燒結(jié)時(shí)間，同時(shí)制得材料的致密度普遍較高，且晶粒較細(xì)，容易得到機(jī)械性能和電學(xué)性能優(yōu)良的產(chǎn)品。但其缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低，成本高。Tian[10]等以Al粉、Cr粉、C粉為原料，在氬氣氣氛保護(hù)下用熱壓燒結(jié)法制得Cr2AlC塊體材料。結(jié)果表明，當(dāng)原料中Al的含量低于20 %時(shí)，產(chǎn)物中除主相Cr2AlC外還含有少量Cr7C3;當(dāng)Al的含量超過20 %后，產(chǎn)物全為Cr2AlC單相。樣品的致密度隨著Al含量的增加而下降，這與Al熔點(diǎn)低，在反應(yīng)過程中易揮發(fā)而形成大量氣孔有關(guān)。Lin[11]等按原料摩爾比Cr∶Al∶Cr ＝ 2∶1.05∶1的比例混合原料，通過熱壓燒結(jié)法制備了Cr2AlC塊體材料。實(shí)驗(yàn)在氬氣保護(hù)氣氛中進(jìn)行，采用兩個(gè)步驟，先是壓力5 MPa，燒結(jié)溫度1400 ℃，保溫1 h，然后壓力30 MPa，燒結(jié)溫度1350 ℃，保溫0.5 h。制得的樣品密度較高，達(dá)到理論密度的95%。研究表明，在700-1050℃范圍內(nèi)，采用單質(zhì)原料合成Cr2AlC，產(chǎn)物中主要存在Cr2Al，Cr9Al17和Cr5Al8相。江浩[12]以Cr-Al-C，Cr-Al-C-V，Cr-Al-C-Cr2O3和Cr3C2-Al-Cr-Cr2O3為原料，采用原位熱壓燒結(jié)法，在1600 MPa、1400 ℃條件下，制備了高純Cr2AlC單相材料。研究表明，原料中Al與Cr首先發(fā)生反應(yīng)生成化合物Al8Cr5，當(dāng)溫度在700-900 ℃時(shí)，Al8Cr5與Cr、Al反應(yīng)生成Cr2Al；溫度繼續(xù)升高后，Cr2Al與C化合生成Cr2AlC。該方法制得的Cr2AlC純度高，平均晶粒直徑為17.9 mm，其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和顯微硬度分別為303 MPa、4.87 MPa?m1/2和4.14 GPa。

2.3 熱等靜壓燒結(jié)法

熱等靜壓法是將液體或氣體作為加壓的介質(zhì)注入高溫高壓密閉容器中，在加熱的同時(shí)，從不同方向?qū)Σ牧鲜┘泳鶆虻膲毫?，使材料的成型和燒結(jié)工作一起進(jìn)行的一種材料制備方法。與熱壓燒結(jié)法相比，該方法更易制得高致密的材料，同時(shí)燒結(jié)溫度較熱壓法更低。Manoun[13]等Cr粉、Al粉、C粉為原料，采用熱等靜壓燒結(jié)法制備了Cr2AlC塊體材料。在真空下將混合好的粉末放入硼硅酸鹽玻璃管中，先在650 ℃下預(yù)燒10 h，待玻璃管軟化后將其放入熱等靜壓爐中，快速升溫至1200 ℃，在壓力100 MPa下保溫12 h，后隨爐冷卻，得到單相Cr2AlC。

2.4 放電等離子燒結(jié)法

等離子放電燒結(jié)法是利用現(xiàn)代化設(shè)備，快速升溫至需要溫度，對(duì)樣品進(jìn)行快速燒結(jié)的一種新型材料制備技術(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是升溫速率快，燒結(jié)時(shí)間短，能耗低，易獲得晶粒均勻、致密度高和性能優(yōu)良的材料。Tian[14]等采用放電等離子法燒結(jié)法，按原料摩爾比Cr∶Al∶C＝2∶1.1∶1混合粉體，在50 MPa，1100-1400 ℃的條件下制得Cr2AlC塊體材料。結(jié)果表明，在樣品中含有少量的Cr-Al、Cr-C等化合物雜質(zhì)。Duan[15]等人按摩爾比Cr∶Al∶C ＝2∶1.15∶1的比例混料，采用放電等離子燒結(jié)法制備出高致密的Cr2AlC塊體材料。制得的樣品的密度為5.17 g/cm3，為理論密度的98.87%。

2.5 熔鹽法

熔鹽法是將無機(jī)鹽作為溶劑，讓原料在熔融的溶劑中進(jìn)行晶粒生長(zhǎng)的一種材料制備方法。熔鹽法是一種能在較低的反應(yīng)溫度下和較短的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)制備特定組分各向異性高純粉體的簡(jiǎn)便方法。該方法還便于控制粉體的形狀和尺寸，被認(rèn)為是合成高純符合化學(xué)計(jì)量比的多組分氧化物粉體最簡(jiǎn)單的方法。Tian[16-17]等以Cr粉、Al粉和C粉為原料，KCl和NaCl為助溶劑，助熔劑比例為n(KCl)∶n(NaCl)＝1∶1，將原料按照比例n(Cr)∶n(Al)∶n(C)＝2∶1.1∶1混合；再按原料∶助溶劑(質(zhì)量比)為1∶1均勻混合壓制成塊狀坯料。將坯料放入石英管中，在真空條件下，900-1000 ℃進(jìn)行燒結(jié)。研究表明，原料中Al含量過量比例逐漸增大到10%時(shí)，產(chǎn)物中Cr-Al化合物明顯增加，Cr7C3高溫相明顯減少。郭陽[18]以Cr3C2粉，Al粉、Cr粉為原料，按n(Cr3C2)∶n(Al)∶n(Cr)＝(0.494-0.51)∶(1～1.3)∶(0.5-0.505)的比例混合，將NaCl、KCl按質(zhì)量比1∶1混合后，加入活性炭混合得到助溶劑。將原料與適量助溶劑混合后壓制成塊，待混合鹽分別在850 ℃、900 ℃、950 ℃和1000 ℃溫度下熔化后，加入原料塊保溫0.6-3 h，冷卻后用蒸餾水反復(fù)清洗，最后干燥，得到Cr2AlC粉體。結(jié)果表明，Al的揮發(fā)對(duì)合成Cr2AlC有較大影響，反應(yīng)中需要加入過量的Al以保證Cr2AlC的產(chǎn)率。當(dāng)合成溫度低于970 ℃時(shí)，Al過量存在也不能使反應(yīng)充分進(jìn)行。通過研究得到的合成Cr2AlC最佳工藝條件：Al過量20%，溫度970 ℃，保溫時(shí)間2 h。該條件下合成的產(chǎn)物中幾乎沒有雜相。

3 Cr2AlC陶瓷的性能

3.1 力學(xué)性能

Lin[19]等測(cè)試了Cr2AlC在載荷為10 N的條件下的力學(xué)性能，測(cè)得Cr2AlC維氏硬度為5.5±0.4 GPa，彎曲強(qiáng)度為378 MPa；Ying[20]等人分別測(cè)試了高純Cr2AlC 和含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.4%的Cr7C3的Cr2AlC的力學(xué)性質(zhì)。測(cè)試結(jié)果表明，純Cr2AlC的密度、顯微硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為5.17 g/cm3、4.9 GPa、469 MPa 和6.22 MPa?m1/2。而含有14.4%的Cr7C3的Cr2AlC的密度、顯微硬度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性分別為5.29 g/cm3、5.5 GPa、483 MPa 和5.85 MPa?m1/2。造成這一現(xiàn)象的原因是Cr7C3具有較高的密度和強(qiáng)度(密度5.2 g/cm3、維氏硬度3.5 MPa、抗彎強(qiáng)度(285±4) GPa)。Tian[23]等以小粒度顆粒作為原料制備樣品，測(cè)得其抗彎強(qiáng)度為483±29 MPa，顯微硬度值為5.2 GPa，其原因是采用小尺寸顆粒合成的樣品晶粒細(xì)小，出現(xiàn)了細(xì)晶強(qiáng)化的效果。

3.2 電學(xué)性能

Tian[21]等測(cè)試了在1400 ℃熱壓1 h制得的Cr2AlC材料的電阻率與溫度的關(guān)系。如圖3所示，在50-300 ℃的范圍，Cr2AlC的電阻率隨溫度的升高而升高，具有金屬的特性。測(cè)得其電阻溫度系數(shù)為0.0028 K-1，這個(gè)值與Ti3Al1.1C1.8電阻溫度系數(shù)(0.0024 K-1)非常接近。通過外推電阻值方法，在室溫下得到Cr2AlC電阻率為1.4×10-6Ω?m，低于Ti2AlC的2.56×10-6Ω?m。應(yīng)國(guó)兵[22]等人測(cè)試了Cr2AlC的電學(xué)性能。室溫下Cr2AlC 的電阻率為1.78×10-6Ω?m，當(dāng)溫度升高到900 ℃時(shí)，Cr2AlC的電阻率為5.56×10-5Ω?m?？芍?，Cr2AlC 的電導(dǎo)率隨溫度的升高而下降。

3.3 熱學(xué)性能

田無邊[21]等測(cè)試了200 ℃下Cr2AlC的熱導(dǎo)率，其值為17.5 W/(m?K)，且在200-400 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高而略微降低。Wang[23]等以Cr粉、Al粉和石墨為原料，按摩爾比Cr∶Al∶C＝2∶1.1∶1制備了Cr2AlC陶瓷材料，并研究了熱學(xué)性能。結(jié)果表明，Cr2AlC的熱膨脹系數(shù)為1.33×10－5K－1。在200-400 ℃范圍內(nèi)，樣品的熱導(dǎo)率隨溫度的增加而下降。應(yīng)國(guó)兵[20]等也研究了Cr2AlC陶瓷的熱學(xué)性能。在200-1200 ℃范圍內(nèi)，Cr2AlC 的熱容為671.8-934.9 J/( kg?K) ，熱導(dǎo)率為15.73 W/m?K (200 ℃)。Monika等研究發(fā)現(xiàn),Cr2AlC材料的熱容在3-260 K溫度區(qū)間內(nèi)是三元層狀碳化物M2AlC(M = Ti，V，Cr)中最高的。

3.4 自潤(rùn)滑性能

Gupta[24-25]等以Inc718為摩擦副，測(cè)得Cr2AlC的摩擦系數(shù)約為1.2×10-3，驗(yàn)證了其在耐磨性方面的不錯(cuò)表現(xiàn)。薛茂權(quán)[26]等以摩爾比Cr∶Al∶C =2∶1.2∶1混合原料粉末，在燒結(jié)溫度1400 ℃下合成了Cr2AlC納米材料。探討了Cr2AlC納米材料在濕潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能，在摩擦過程中機(jī)體表面形成了一層具有減摩抗磨作用的潤(rùn)滑膜，這說明Cr2AlC具有良好的自潤(rùn)滑性能。

圖3 Cr2AlC的電阻與溫度關(guān)系Fig.3 Temperature dependence of resistivity of Cr2AlC

4 Cr2AlC陶瓷的應(yīng)用

為了充分發(fā)揮Cr2AlC的優(yōu)異性能，擴(kuò)大這種材料的工業(yè)應(yīng)用范圍，許多學(xué)者開始研究各種Cr2AlC相關(guān)復(fù)合材料的制備。根據(jù)復(fù)合材料的顯微組織結(jié)構(gòu)，Cr2AlC復(fù)合材料可分為四類。第一類是Cr2AlC顆粒彌散強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料，有效提高了金屬材料的性能；第二類是固溶強(qiáng)化Cr2AlC復(fù)合材料，這種材料有效提高了Cr2AlC材料的韌性；第三類是彌散顆粒增強(qiáng)Cr2AlC復(fù)合材料，有效提高了金屬材料的性能，改善了Cr2AlC材料的耐磨性和強(qiáng)度；第四類是通過不同的工藝將Cr2AlC與基質(zhì)材料結(jié)合形成層狀復(fù)合材料，有效保護(hù)了基體材料，擴(kuò)大了材料在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用范圍。

4.1 金屬-Cr2AlC復(fù)合材料

4.1.1 Fe-Cr2AlC復(fù)合材料

Fe具有較高的熔點(diǎn)，根據(jù)固相燒結(jié)理論，燒結(jié)溫度一般為0.7-0.8 Tm(Tm為絕對(duì)熔點(diǎn)，以K計(jì))，因此，燒結(jié)溫度較高。在原位反應(yīng)過程中，原料中的Cr2AlC分解形成Cr-C化合物，Cr-C化合物在Fe晶界中形成網(wǎng)狀增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其有效分布在Fe基體之間，增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度[18]。

陳新華[27]等采用原位法合成了Fe-Cr2AlC復(fù)合材料制備。在高溫原位反應(yīng)過程中，原料中的Cr2AlC分解，所得到的Cr-C化合物在Fe晶界形成網(wǎng)狀陶瓷增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。制備的復(fù)合材料在室溫下具有良好的強(qiáng)度和韌性。然而，隨著復(fù)合材料中Cr2AlC含量的增加，強(qiáng)度與斷裂韌性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)原料中的Cr2AlC的含量為50%，燒結(jié)溫度為1300 ℃時(shí)，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度達(dá)到1417.05 MPa。而在30 MPa壓力下保溫30 min時(shí)，復(fù)合材料的斷裂韌性僅為18 MPa?m1/2。

4.1.2 Cu-Cr2AlC復(fù)合材料

Cu-Cr2AlC復(fù)合材料主要由熱壓法制備。Cr2AlC的添加將阻止Cu晶粒的生長(zhǎng)和晶界遷移，為Cu晶粒的再結(jié)晶提供了形核點(diǎn)，增強(qiáng)了粒子與基體界面之間的鍵合作用，起到分散強(qiáng)化的效果，有效地提高了材料的強(qiáng)度，改善了Cu及Cu合金的性能[28]。

雷宇[29]等采用粉末冶金法制備Cr2AlC顆粒增強(qiáng)Cu基復(fù)合材料。隨著Cr2AlC含量的增加，復(fù)合材料硬度首先升高后降低，密度和壓縮率逐漸降低。Cu-10%Cr2AlC的硬度值達(dá)到130 HV；曾舒[30]等采用熱壓法制備Cu-Cr2AlC復(fù)合材料。當(dāng)Cr2AlC的體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為315 MPa和230 MPa。隨著Cr2AlC體積分?jǐn)?shù)的增加，屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度降低，斷裂模式從韌性斷裂變?yōu)榇嘈詳嗔?。孫林[31]等采用無壓真空燒結(jié)技術(shù)制備了Cu-15%Cr2AlC復(fù)合材料。通過對(duì)Cu-15%Cr2AlC復(fù)合材料熱導(dǎo)率、電阻率和摩擦系數(shù)的逐漸研究可知，隨著壓制壓力的增加，燒結(jié)溫度的升高，復(fù)合材料的電阻率和摩擦系數(shù)降低，熱導(dǎo)率逐漸增加。隨著燒結(jié)時(shí)間的增加，復(fù)合材料的電阻率和摩擦系數(shù)降低，熱導(dǎo)率先升高后降低。復(fù)合材料的斷裂模式均是脆性斷裂。隨著燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間的增大，Cr2AlC和Cu發(fā)生固溶強(qiáng)化，使Cr2AlC晶格常數(shù)產(chǎn)生變化。當(dāng)壓制壓力為500 MPa，燒結(jié)時(shí)間為1 h，燒結(jié)溫度為1000 ℃時(shí)，復(fù)合材料密度為6.91 g/cm3，顯微硬度達(dá)到158.93 HV。

4.2 顆粒增強(qiáng)Cr2AlC復(fù)合材料

應(yīng)國(guó)兵[32]等采用SHS/PHIP法以Ti-Cr-Al-C為體系粉末制備三元陶瓷基復(fù)合材料，對(duì)應(yīng)的摩爾比為(2-m)∶m∶1∶1。當(dāng)m = 0.75和m = 1時(shí)，復(fù)合材料主要成分為Cr2AlC、Ti3AlC和TiC。復(fù)合材料的密度降低，硬度值大大提高，但韌性和強(qiáng)度增幅不大。根據(jù)斷口的微觀結(jié)構(gòu)可知，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的間隙中均勻分布有小顆粒。這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是通過重疊Cr2AlC和Ti3AlC交疊形成的，TiCx彌散分布在這些網(wǎng)狀疊層之間。這種致密、均勻、重疊的微觀結(jié)構(gòu)可以使材料容易傳遞負(fù)載，再加上第二硬質(zhì)相TiCx顆粒的作用，彌散增強(qiáng)效果明顯，使復(fù)合材料具有更好的抗變形性，更高的強(qiáng)度和硬度。

S Gupt[33]等制備了Ag-Cr2AlC復(fù)合材料。在室溫到550 ℃范圍內(nèi)，復(fù)合材料的磨損率小于10-4mm3/N?m，摩擦系數(shù)小于0.5。在熱循環(huán)條件下，Cr2AlC/Ag摩擦磨損性能進(jìn)一步改善。在以Inconel718和Al2O3為摩擦副的干滑動(dòng)摩擦的情況下，復(fù)合材料磨損數(shù)量級(jí)分別小于10-4mm3/N?m和10-5mm3/N?m。但隨著溫度升高到550 ℃，磨損率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。 Ag-Cr2AlC復(fù)合材料在室溫下的拉伸強(qiáng)度大于150 MPa，抗壓強(qiáng)度σc＞1.5 GPa。硬度約為5-6 GPa。Ra為0.1-0.2 μm，表現(xiàn)出易加工的性能。在燒結(jié)反應(yīng)中，Cr2AlC與Ag液相發(fā)生以下反應(yīng)：

生成的硬質(zhì)合金相Ag2Al與Cr7C3顆粒起到了彌散強(qiáng)化作用，增強(qiáng)了Cr2AlC-Ag復(fù)合材料的強(qiáng)度。復(fù)合材料的表面形成光滑致密的氧化物潤(rùn)滑膜使材料的摩擦系數(shù)降低，有效提高了摩擦性能。隨著溫度的升高，氧化膜逐漸分解，從而降低了摩擦性能。當(dāng)添加Ag的量很少時(shí)，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)明顯降低，添加Ag的量逐漸增多，復(fù)合材料的摩擦系數(shù)降低不明顯或不降低。這說明Ag-Cr2AlC復(fù)合材料的摩擦性能主要由Cr2AlC決定。

4.3 固溶強(qiáng)化Cr2AlC復(fù)合材料

Cr2AlC本身比較脆弱。已有研究表明，Cr2AlC的M位置會(huì)發(fā)生固溶體增韌現(xiàn)象(如(Ti1-xCrx)2AlC，(Ti1-xVx)2AlC)。通過將Ti，V，Mo等原子固溶在Cr2AlC的M位置，可以提高材料的韌性。根據(jù)Pugh S F[34]等人的研究經(jīng)驗(yàn)，體模量和剪切模量(B/G)的比例可以用作金屬材料的脆性和韌性的標(biāo)準(zhǔn)。B/G越大，材料的韌性越好；脆性材料的B/G臨界值約為1.75，即如果B/G ＞ 1.75，則為韌性材料，反之，則為脆性材料。Wang[35-36]等對(duì)(MxM′2-x)AlC(M, M′ = Ti, V和Cr)進(jìn)行過研究，預(yù)測(cè)(MxM′2-x)AlC具有較好的強(qiáng)度。田陽采用基于密度泛函理論的第一原理贗勢(shì)平面波法計(jì)算了Cr2AlC的M位置中Cr4-xMoxAl2C2的相穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)。Cr4-xMoxAl2C2在結(jié)構(gòu)和力學(xué)上是穩(wěn)定的。Cr4-xMoxAl2C2表現(xiàn)出脆性，但隨著Mo含量的增加，Cr4-xMoxAl2C2的韌性逐漸增加。由計(jì)算結(jié)果可知，Cr4-xMoxAl2C2的B/G的值隨著Mo含量的增加而增加，材料的韌性也提高。材料在力學(xué)和熱力學(xué)上穩(wěn)定，表現(xiàn)出金屬的導(dǎo)電性?？赡苁怯捎谔砑恿薓o，形成了Mo-C共價(jià)鍵，并且這種共價(jià)鍵強(qiáng)度弱于Cr-C和Al-C共價(jià)鍵，因而變相增加了離子鍵的強(qiáng)度，使材料的韌性和導(dǎo)電性都增加。

4.4 Cr2AlC層狀復(fù)合材料

到目前為止，層狀復(fù)合材料的發(fā)展方向是通過在基體材料表面噴涂一層強(qiáng)化層，以增加材料的使用壽命，減少材料的浪費(fèi)。Cr2AlC涂層具有優(yōu)異的性能，原因是Cr2AlC涂層在相互摩擦過程中，表面會(huì)生成CrAl薄膜，這種薄膜有效地提高了Cr2AlC涂層的耐磨性能。

S Gupta等人研究了在550 ℃下不同配副與層狀Cr2AlC復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)Cr2AlC復(fù)合材料與Al2O3配副時(shí)，摩擦系數(shù)為0.44±0.09，磨損率約為6×10-5mm3/N?m。形成的CrAl氧化物與鎳基合金配副時(shí)的摩擦系數(shù)約為0.3，磨損率小于或等于1×10-6mm3/N?m，討論了摩擦面潤(rùn)滑膜的形成機(jī)理[37-38]。薛茂全[26]等使用液相磁力攪拌混合原料比Cr∶Al∶C＝2∶1.2∶1的原料粉，在1400 ℃下無壓燒結(jié)合成Cr2AlC。觀察到Cr2AlC層厚度約為50-100 nm。研究了Cr2AlC納米復(fù)合材料在潤(rùn)滑油中的摩擦學(xué)性能。Cr2AlC在油摩擦過程中表現(xiàn)出良好的摩擦性能。Cr2AlC添加量低時(shí)，分散性更好，可以顯著降低基礎(chǔ)油的摩擦系數(shù)和摩擦磨損。在該實(shí)驗(yàn)條件下，Cr2AlC在10 N載荷下加入0.6%和1%的潤(rùn)滑油，摩擦過程中也在表面形成具有抗摩擦和抗磨損的潤(rùn)滑膜，顯示出良好的摩擦學(xué)性能。陳洋[39]等通過真空燒結(jié)法制備了不同粒度的兩種單相Cr2AlC復(fù)合粉末，并使用超音速火焰噴涂(HVOF)法在GH4196高溫鎳合金上成功制備了Cr2AlC涂層。制備的Cr2AlC涂層的厚度大于200 μm，并且與襯底緊密結(jié)合，致密度高。在高溫噴涂的過程中，少量Cr2AlC粉末分解形成高溫Cr7C3化合物，但沒有明顯的氧化發(fā)生。粉末的尺寸越小，越有利于制備更低孔隙率，更致密的涂層。一些研究人員采用磁控濺射法制備Cr2AlC薄膜，研究了Cr2AlC的性能且Cr2AlC薄膜厚度＜1 μm，極大的限制了Cr2AlC的應(yīng)用范圍[40-42]。

5 展 望

目前制備Cr2AlC的方法有很多，但產(chǎn)物中或多或少都含有部分雜質(zhì)相，而且有些工藝生產(chǎn)成本高，操作復(fù)雜，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。對(duì)于制備Cr2AlC的成本而言，熱壓、熱等靜壓和放電等離子燒結(jié)方法使用的儀器精密、昂貴，制備過程中都要求高真空且需要通氬氣作為保護(hù)氣體，技術(shù)要求高，這就使生產(chǎn)成本提高。較上述制備方法而言，熔鹽法制備Cr2AlC具有操作簡(jiǎn)單，對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和技術(shù)要求不高，產(chǎn)量高等有點(diǎn)，這利于工業(yè)化生產(chǎn)，但該方法存在的問題是產(chǎn)物純度不夠理想，還需要繼續(xù)研究以提高產(chǎn)物純度。因此在提高合成Cr2AlC純度的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化合成工藝是今后制備Cr2AlC的研究方向。

Cr2AlC復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能，在現(xiàn)代很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用還需解決幾個(gè)問題：

(1) 降低Cr2AlC粉末的合成成本，簡(jiǎn)化合成工藝，提高Cr2AlC粉末的合成效率，確保Cr2AlC復(fù)合材料的原料充足。

(2) 研究原料的配比，第二相的摻量及合成工藝對(duì)復(fù)合材料性能的影響。嘗試用工藝簡(jiǎn)單，成本較低的方法合成Cr2AlC復(fù)合材料，縮短生產(chǎn)周期。

(3) 進(jìn)一步研究Cr2AlC復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系。

(4) 拓寬Cr2AlC復(fù)合材料性能研究的范圍，擴(kuò)大Cr2AlC復(fù)合材料的應(yīng)用。

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Research Progress of Layered Cr2AlC Ternary Ceramic

BAI Yang，LIU Jinyun，JIN Yingrong
(College of Materials Science and Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China)

With special crystal structure, Cr2AlC has broad application prospects in many fi elds due to its metal and ceramic properties. This paper introduces the crystal structure, synthesis methods, properties and application prospects of Cr2AlC. It points out that Developing new technology, improving the synthesis of Cr2AlC purity, simplifying operation, reducing cost and advancing mass industrialized production will be the research directions in the future.

new material; ceramic material; Cr2AlC

date:2017-04-15 Revised date: 2017-04-18

TQ174.75

A

1006-2874-(2017)05-0022-08

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.05.004

2017-04-15。

2017-04-18。

教育部春暉計(jì)劃資助項(xiàng)目(z2010096)。

白陽，男，碩士生。

Correspondent author:BAI Yang, male, Master.

E-mail:cuitBy3772@163.com