鈦碳化鋁

鈦碳化鋁為MAX相，是Nowotny等人率先提出的化學概念。

基本介紹

  • 中文名：鈦碳化鋁
  • 外文名：Titanium Aluminum Carbide powder
  • 別名：碳鋁鈦
  • 化學式：Ti3AlC2
  • 分子量：194.6
  • CAS登錄號：196506-01-1
  • 外觀：灰黑色粉末
引言,結構與性能,套用,前景,

引言

MAX相的研究可追溯到20世紀60年代。2000年，Barsoum將此類材料統稱為“Mn+1AXn相”（簡稱MAX相）。其中M為過渡族金屬元素，A為主族元素，X為C或者N。
鈦碳化鋁
鈦碳化鋁
根據通式中n值的不同（即MX片層厚度的不同），MAX相可以分為M2AX相（211相）、M3AX2相（312相）、M4AX3相（413相）等。作為一個新的陶瓷家族，MAX相不斷發展壯大，以M2AX相為例，其數量接近50種，M3AX2相和M4AX3相分別為7種和8種。
MAX相的外觀形態主要有粉末、塊、薄膜三種。製備方法與其外觀形態有一定的關係。粉末狀的MAX相可以在高溫真空中製備；塊狀MAX相材料通過利用熱壓（HP）和熱等靜壓方法（HIP）得到；薄膜狀的MAX相材料則用PVD方法製備。工業化生產MAX相已有報導。相比之下，利用純淨粉末進行無壓燒結更適用於大規模工業化生產。

結構與性能

三元層狀化合物MAX相是一種新型金屬陶瓷功能材料，微觀上是六方層狀結構，由MX層和A原子層交替排列組成。211、312、413相的主要區別在於晶體中每兩層A原子層之間M原子個數。換言之，Mn+1AXn相是由n+1個MX片層和1個A層原子面交替堆垛所組成。MX之間以強共價鍵結合，MX片層與A原子面間以弱共價鍵結合，使得A原子較易脫離MX片層的束縛。這一獨特的化學鍵性質，賦予了MAX相優異的性能。隨著MX片層厚度的增加，性能接近於相應的M-X二元碳化物，通過調整MX片層厚度可以改善MAX相的性能。
MAX相材料綜合了陶瓷材料和金屬材料的許多優點，包括低密度、高模量、良好的導電（導熱）性、抗熱震性以及優良的抗高溫氧化性能等。
MAX相的晶體結構及M-X間的強共價鍵特徵使其具有較高的彈性模量和強度，而較低的剪下模量來源於MX片層和A原子面間的弱結合。同一體系的MAX相中，MX片層的增厚，其體模量和彈性模量不斷增加。所以，通過MX片層的厚度來獲得照拔朽具有更高模量的MAX相陶瓷材料。
作為高溫結構材料，永阿頸不僅要有良好的高溫力學性能，還要擁有優異的抗氧化性能。抗氧化性能主要取決於材料在高溫氧化過程中能否生成緻密的保護性氧化膜，如氧化鋁、二氧化矽等。鈦碳化鋁謎囑妹（Ti3AlC2）在氧化過程中由於Al的選擇性氧化可以生成連續的Al2O3保護膜，實驗研究結果也表明鈦碳化鋁（Ti3AlC2）具有優良的抗熱循環能力，生成的氧化膜緻密、與基體結合良好，沒有剝落。鈦碳化矽（Ti3SiC2）在高溫下的氧化膜分為兩層，外層是TiO2，內層為TiO2和SiO2的混合物，氧化膜的緻密性及與基體的黏附性均較好。

套用

Ti-Al-C體系MAX相中的Al在氧化過程中可以快速擴散並發生斷章求選擇性氧化進而生成一層緻密的Al2O3膜，防止基體材料被進一步氧化。鈦碳化鋁（Ti3AlC2和Ti2AlC）與生成的Al2O3之間界面的微觀結構使得該體系材料具有高溫自癒合能力。在高溫環境中，材料表面的裂紋或者刻痕被該氧化物填充，從而使材料恢復原來的性能，尤其是力學性能。這種特性對保持材料的力求兆敬踏學性能、提高材料的穩定性和可靠性具有重要意義，使其更有望套用於高溫環境。
鈦碳化鋁（Ti3AlC2和Ti2AlC）在高溫下Al的快速擴散及選擇性氧化的特性分別實現了材料自身的對焊接和層與層之間的焊接。鈦碳化鋁（Ti3AlC2和Ti2AlC）自焊接所得層狀材料的斷裂韌性較單相材料得到大幅度提升。
同樣利用MAX相中鈦碳化鋁（Ti3AlC2）中Al片層和TiC片層間的弱結合愚翻兆背，使用氫氟酸（和白HF）可以將鈦碳化鋁（Ti3AlC2）中的Al剝蝕而製備新型的二維碳化物，稱之為“MXene”，其形貌與石墨烯類似。MXene良好的導電能力使其可能作為鋰離子電池材料。
MAX相產品，尤其是鈦碳化矽（Ti3SiC2）具有較高的抗損傷容限、良好的力學、熱學性能等一系列特性，使其可能套用於第四代核反應堆中，作為氣冷快堆中核燃料的包殼材料。近年來，鈦碳化矽（Ti3SiC2）的抗幅照損傷能力引發越來越多的關注。

前景

MAX相的研究側重於兩個方面：一是新MAX相的合成，二是MAX相的性能研究。近些年來，MAX相的工業套用研究逐漸增多。對MAX相中新材料的發現、現有材料的性能最佳化以及套用前景仍然是一個長期的課題。希望越來越多的研究者能夠通過結構、性能等多方面的最佳化，使它能夠發揮套用潛力。
鈦碳化鋁（Ti3AlC2和Ti2AlC）在高溫下Al的快速擴散及選擇性氧化的特性分別實現了材料自身的對焊接和層與層之間的焊接。鈦碳化鋁（Ti3AlC2和Ti2AlC）自焊接所得層狀材料的斷裂韌性較單相材料得到大幅度提升。
同樣利用MAX相中鈦碳化鋁（Ti3AlC2）中Al片層和TiC片層間的弱結合，使用氫氟酸（HF）可以將鈦碳化鋁（Ti3AlC2）中的Al剝蝕而製備新型的二維碳化物，稱之為“MXene”，其形貌與石墨烯類似。MXene良好的導電能力使其可能作為鋰離子電池材料。
MAX相產品，尤其是鈦碳化矽（Ti3SiC2）具有較高的抗損傷容限、良好的力學、熱學性能等一系列特性，使其可能套用於第四代核反應堆中，作為氣冷快堆中核燃料的包殼材料。近年來，鈦碳化矽（Ti3SiC2）的抗幅照損傷能力引發越來越多的關注。

前景

MAX相的研究側重於兩個方面：一是新MAX相的合成，二是MAX相的性能研究。近些年來，MAX相的工業套用研究逐漸增多。對MAX相中新材料的發現、現有材料的性能最佳化以及套用前景仍然是一個長期的課題。希望越來越多的研究者能夠通過結構、性能等多方面的最佳化，使它能夠發揮套用潛力。

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