本发明提供一种(Cu-Al)/(Ti
1.一种(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料,其特征在于:该材料具有Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷层和Cu-Al合金层交替叠合的结构,由下述方法制备而成:(1)坯体制备:将Ti₃AlC₂粉和Cu粉逐层均匀铺设,然后施加100~250MPa的压力,制成Ti₃AlC₂层与Cu层交替叠合的“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体;(2)高温烧结:将“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体装入石墨坩埚,放入高温烧结炉,在氩气保护下,按20~40°C/min的升温速率将炉温升至1100~1200°C,保温15~60min后冷却,即得(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料。
2.权利要求1所述的(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料,其特征在于:权利要求1的步骤(1)采用如下制备方法:所述的坯体制备,采用将Ti₃AlC₂和Cu分别压制成片状坯体,然后交替叠合成“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体的方法。
3.权利要求1所述的(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料,其特征在于:权利要求1的步骤(1)采用如下制备方法:所述的坯体制备,采用将预先烧结成的疏松状的Ti₃AlC₂块体加工成片状,叠合在一起,片与片之间用均匀铺设的Cu粉隔开,形成“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体的方法。
4.一种(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料的制备方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:(1)坯体制备:将Ti₃AlC₂粉和Cu粉逐层均匀铺设,然后施加100~250MPa的压力,制成Ti₃AlC₂层与Cu层交替叠合的“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体;(2)高温烧结:将“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体装入石墨坩埚,放入高温烧结炉,在氩气保护下,按20~40°C/min的升温速率将炉温升至1100~1200°C,保温15~60min后冷却,即得(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料。
5.权利要求4所述的(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料的制备方法,其特征在于:该方法的步骤(1)所述的坯体制备,采用将Ti₃AlC₂和Cu分别压制成片状坯体,然后交替叠合成“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体的方法。
6.权利要求4所述的(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料的制备方法,其特征在于:该方法的步骤(1)所述的坯体制备,采用将预先烧结成的疏松状的Ti₃AlC₂块体加工成片状,叠合在一起,片与片之间用均匀铺设的Cu粉隔开,形成“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体的方法。技术领域
本发明涉及一种(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料及其制备方法,属于新材料技术领域。
背景技术
自然界中许多贝类的外壳是由少量的有机物质与组分非常简单的无机物质复合而成的,其坚韧性在于其精细的复合结构。受此启发,近十几年来世界上已经开始基于此类仿生结构的层状复合陶瓷材料的研究,例如,剑桥大学的Clegg等人(W.J.Clegg,etxa0al,Nature,1990,347:445-447)研制的碳化硅SiC层与石墨C层逐层交替叠合而成的C/SiC层状复合材料。这种层状复合陶瓷材料的抗粉碎性破坏的断裂功比单质的SiC陶瓷材料大得多,显著地提高了陶瓷材料抗粉碎性破坏的可靠性。但是,采用石墨等低强度材料作分隔层的层状复合陶瓷材料,整体强度比较低,作为承载层的SiC等陶瓷材料自身固有的脆性实际上也没有改善。因此,这一类层状复合陶瓷材料,其实用性还存在问题。钛铝碳Ti₃AlC₂是一种新型的三元碳化物陶瓷,具有Ti₃C₂和Al层叠的层状晶体结构。Ti₃AlC₂的一个重要特点是在高温下与铜Cu发生化学反应,导致Ti₃AlC₂中的一部分Al溶入周围的Cu中,而周围的Cu进入Ti₃AlC₂的Al层,由此形成亚微米尺度层状复合结构的Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷。这种亚微米尺度的层状复合结构与贝类外壳的微结构更加类似,因而Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷的强度和断裂韧性比Ti₃AlC₂高得多。利用这种Ti₃AlC₂与Cu反应形成的Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷作为承载层,并利用Al进入Cu中形成的Cu-Al合金为分隔层,可制备由Cu-Al合金层和Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷层逐层叠合的(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料。这种新型的层状复合材料不仅具有良好的抗粉碎性破坏性能,而且具有整体强度高、耐冲击载荷能力强等C/SiC类层状复合陶瓷材料不具备的优点,可望在机械、电工、载运工具和军工领域获得广泛的应用。
发明内容
本发明提供一种(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料及其制备方法。本发明的(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料,该材料具有Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷层和Cu-Al合金层交替叠合的结构,而Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷层和Cu-Al合金层是由Ti₃AlC₂与Cu发生化学反应而原位形成的。本发明的一种(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料的制备方法,该方法包括以下步骤:(1)坯体制备:将Ti₃AlC₂粉和Cu粉逐层均匀铺设,然后施加100~250MPa的压力,制成Ti₃AlC₂层与Cu层交替叠合的“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体;(2)高温烧结:将“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体装入石墨坩埚,放入高温烧结炉,在氩气保护下,按20~40°C/min的升温速率将炉温升至1100~1200°C,保温15~60min后冷却,即得到本发明的(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料。该方法的步骤(1)所述的坯体制备,采用将Ti₃AlC₂和Cu分别压制成片状坯体,然后交替叠合成“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体的方法。该方法的步骤(1)所述的坯体制备,采用将预先烧结成的疏松状的Ti₃AlC₂块体加工成片状,叠合在一起,片与片之间用均匀铺设的Cu粉隔开,形成“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体的方法。发明效果本发明的(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料,其Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷层具有良好的耐磨性和抗侵入性,其Cu-Al合金层通过塑性变形吸收外部施加载荷的能量,因而具有良好的耐磨和耐冲击载荷的性能,可用于制造高性能的轴瓦、轴承套和抗穿甲防护外壳等构件。本发明的(Cu-Al)/(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料制备方法,其好处是,Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷层和Cu-Al合金层是由预先制备的“Ti₃AlC₂-Cu-......-Cu-Ti₃AlC₂”层状坯体的Ti₃AlC₂和Cu的化学反应形成的;工艺简单、可靠,成本低,易于工业规模制造。
附图说明
图1为(Cu-Al)-(Ti₃C₂-Cu-Al)层状复合材料横截面的扫描电子显微镜照片;深色的带状区域为Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷层,浅色的带状区域为Cu-Al合金层。图2为Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷层与Cu-Al合金层界面结合状况的扫描电子显微镜照片;深色的区域为Ti₃C₂-Cu-Al层,浅色的区域为Cu-Al层。
具体实施方式
实施例一将Ti₃AlC₂粉和Cu粉逐层地均匀铺入直径为50mm的模具,施加120MPa的压力,制成3层Ti₃AlC₂粉、2层Cu粉的Ti₃AlC₂-Cu-Ti₃AlC₂-Cu-Ti₃AlC₂层状坯体;将此层状坯体装入石墨坩埚,放入高温烧结炉,在氩气保护下,以30°C/min的升温速率将炉温升至1150°C,保温30min后冷却,即得到3层Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷、2层Cu-Al合金的层状复合材料。实施例二将Ti₃AlC₂粉用250MPa的压力压制成直径为20mm、厚度为1.5mm的坯体,将Cu粉用100MPa的压力压制成直径为20mm、厚度为3mm的坯体,将Cu坯体置于2片Ti₃AlC₂坯体之间,叠合成Ti₃AlC₂-Cu-Ti₃AlC₂坯体,装入石墨坩埚,放入高温烧结炉,在氩气保护下,按20°C/min的升温速率将炉温升至1100°C,保温60xa0min后冷却后,即得到2层Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷、1层Cu-Al合金的层状复合材料。实施例三将预先烧结成的疏松状的Ti₃AlC₂块体加工成长度为36mm、宽度为25mm、厚度为1mm的薄片,将4个薄片叠合在一起,薄片之间用均匀铺设的Cu粉隔开,Cu粉的层厚为4mm,形成Ti₃AlC₂-Cu-Ti₃AlC₂-Cu-Ti₃AlC₂-Cu-Ti₃AlC₂层状坯体;将其装入石墨坩埚,放入高温烧结炉,在氩气保护下,以40°C/min的升温速率将炉温升至1200°C,保温40min后冷却,即得到4层Ti₃C₂-Cu-Al金属陶瓷、3层Cu-Al合金的层状复合材料。