一种微波烧结合成V2AlC块体材料及其制备方法和应用

一种微波烧结合成v2alc块体材料及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及无机非金属材料领域，具体涉及一种微波烧结合成v2alc块体材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.v2alc是一种三元过渡族金属碳化物，属于max相的一种，它兼具陶瓷和金属的优良性能，如较低的密度（4.07g/cm
３
）、高模量（283 gpa）、良好的导电性（4
×
106s
·
m
‑1）和导热性能（48w
·
m
‑1·
k
‑1）、优良的抗氧化性(500℃以下)、抗热震性、良好的耐高压性，且加工性能优越。因此，v2alc材料可用做耐磨材料、金属基复合材料的增强相材料、加热元件、喷嘴等方面。
3.合成v2alc的方法包括热等静压、热压、放电等离子体烧结等，采用热等静压法以1600℃/8 h工艺制备了致密的v2alc多晶材料；原位热压烧结制备致密的单相v2alc多晶材料一般需要在1400～1600 ℃、保温1 h条件下进行。这些方法主要用于制备块状的v2alc时普遍存在合成温度过高、烧结时间长、纯度低的缺点。


技术实现要素：

4.本发明为了解决目前v2alc块体材料合成中存在的温度高、合成时间长、纯度低的问题，提供了一种更低温下短时间内合成高纯度的v2alc块体材料的方法，还公开了该方法制备的v2alc块体材料在耐磨材料及 v2c 二维材料的前驱体材料的应用。
5.基于上述目的，本发明采用如下技术方案：微波烧结合成v2alc块体材料的方法，包括以下步骤：a.将钒粉、铝粉、石墨粉、烧结助剂加入到无水乙醇中，研磨混合均匀、真空干燥得到混合原料；所述烧结助剂为稀土氟化物；b.将混合原料在模具中压制成胚体；c.将胚体置于微波烧结装置中于真空或惰性气氛中加热，然后冷却至室温即得到v2alc块体材料。
6.进一步地，所述烧结助剂为laf3或cef3。
7.进一步地，所述钒粉、铝粉和石墨粉的摩尔比为v:al:c=2:（1.1
‑
1.4）:1，所述烧结助剂占钒粉、铝粉、石墨粉质量之和的2%
‑
4%。
8.进一步地，微波烧结的反应条件为微波烧结频率2.45ghz，功率900w，步骤c中微波加热升温速率为100℃/min，温度升至1250℃时保温5min，所述惰性气氛为氩气。
9.进一步地，所述步骤a中混合方式采用石英研钵研磨30min，真空干燥温度为50℃。
10.进一步地，所述步骤b中模具压制的压力为240mpa，压制时间为60s。
11.由上述方法制得的v2alc块体材料，晶粒细小，微观组织均匀。
12.该方法制备的v2alc块体材料由于具有高纯度和高密度，广泛应用于耐磨材料和v2c 二维材料的前驱体材料。
13.本发明的有益效果在于：（1）本发明充分利用了微波烧结的加热特点，混合均匀的原料在合成过程中，利用微波高效的内部加热方式，利用能量的直接供应和渗透，能量的扩散过程得到强化，避免了微观组织不均匀问题，使得合成v2alc块体材料的晶粒细小，微观组织均匀。
14.（2）本发明采用微波烧结加热的方式，在配料时直接采用v2alc的原子配比，控制原料加入量，避免引入其他杂质，微波加热过程加热速率高，本发明中升温速率可达100℃/min，且加入烧结助剂后，v2alc合成时间大大缩短，可有效的抑制铝粉的挥发，同时大大减少能源损耗，提高生产效率。
15.（3）在反应过程中，laf3或cef3作为烧结助剂的加入，使得微波加热过程中材料的液相量增加，有助于元素扩散，有利于合成v2alc反应，且合成的v2alc纯度提高。
附图说明
16.图1为实施例1合成v2alc的x射线衍射谱；图2为对比例2、对比例3、实施例1、实施例3对比下的合成v2alc的x射线衍射谱；图3为实施例1合成v2alc的扫描电镜图。
具体实施方式
17.对比例1无压烧结合成v2alc块体材料的方法，包括以下步骤：a.按照v:al:c=2:1.2:1的摩尔比称取2.09g钒粉、0.66g铝粉、0.25g石墨粉，将上述粉末加入5ml无水乙醇中，用石英研钵研磨30min，50℃条件下真空干燥5h，得到混合原料；b.将混合原料置于液压机中在10mpa压力下压制60s，形成圆柱状胚体。
18.c.将压制后的胚体置于管式炉中，在氩气气氛下，加热至1250℃，保温90min，经冷却后即可获得v2alc块体材料。
19.对比例2无压烧结合成v2alc块体材料的方法，包括以下步骤：a.按照v:al:c=2:1.2:1的摩尔比称取2.09g钒粉、0.66g铝粉、0.25g石墨粉，加入0.06g laf3（2%）作为烧结助剂，将上述粉末加入5ml无水乙醇中，用石英研钵研磨30min，50℃条件下真空干燥5h，得到混合原料；b.将混合原料置于钢制磨具中在240mpa压力下压制60s，形成圆柱状胚体。
20.c.将压制后的胚体置于管式炉中，在氩气气氛下，加热至1250℃，保温90min，经冷却后即可获得v2alc块体材料。
21.对比例3微波烧结合成v2alc块体材料的方法，包括以下步骤：a.按照v:al:c=2:1.2:1的摩尔比称取2.09g钒粉、0.66g铝粉、0.25g石墨粉，不添加烧结助剂，将上述粉末加入5ml无水乙醇中，用石英研钵研磨30min，50℃条件下真空干燥5h，得到混合原料；b.将混合原料置于钢制磨具中在240mpa压力下压制60s，形成圆柱状胚体。
22.c.将压制后的胚体置于微波烧结装置中，在氩气气氛下，加热至1250℃，保温5min，经冷却后即可获得v2alc块体材料。
23.实施例1微波烧结合成v2alc块体材料的方法，包括以下步骤：a.按照v:al:c=2:1.2:1的摩尔比称取2.09g钒粉、0.66g铝粉、0.25g石墨粉，加入0.12g laf3（4%）作为烧结助剂，将上述粉末加入5ml无水乙醇中，用石英研钵研磨30min，50℃条件下真空干燥5h，得到混合原料；b.将混合原料置于钢制磨具中在240mpa压力下压制60s，形成圆柱状胚体。
24.c.将压制后的胚体置于微波烧结装置中，在氩气气氛下，加热至1250℃，保温5min，经冷却后即可获得v2alc块体材料。
25.实施例2微波烧结合成v2alc块体材料的方法，包括以下步骤：a.按照v:al:c=2:1.2:1的摩尔比称取2.09g钒粉、0.66g铝粉、0.25g石墨粉，加入0.06g laf3（2%）作为烧结助剂，将上述粉末加入5ml无水乙醇中，用石英研钵研磨30min，50℃条件下真空干燥5h，得到混合原料；b.将混合原料置于钢制磨具中在240mpa压力下压制60s，形成圆柱状胚体。
26.c.将压制后的胚体置于微波烧结装置中，在氩气气氛下，加热至1250℃，保温5min，经冷却后即可获得v2alc块体材料。
27.实施例3微波烧结合成v2alc块体材料的方法，包括以下步骤：a.按照v:al:c=2:1.2:1的摩尔比称取2.09g钒粉、0.66g铝粉、0.25g石墨粉，加入0.12gcef3（4%）作为烧结助剂，将上述粉末加入5ml无水乙醇中，用石英研钵研磨30min，50℃条件下真空干燥5h，得到混合原料；b.将混合原料置于钢制磨具中在240mpa压力下压制60s，形成圆柱状胚体。
28.c.将压制后的胚体置于微波烧结装置中，在氩气气氛下，加热至1250℃，保温5min，经冷却后即可获得v2alc块体材料。
29.实施例4微波烧结合成v2alc块体材料的方法，包括以下步骤：a.按照v:al:c=2:1.2:1的摩尔比称取2.09g钒粉、0.66g铝粉、0.25g石墨粉，加入0.06gcef3（2%）作为烧结助剂，将上述粉末加入5ml无水乙醇中，用石英研钵研磨30min，50℃条件下真空干燥5h，得到混合原料；b.将混合原料置于钢制磨具中在240mpa压力下压制60s，形成圆柱状胚体。
30.c.将压制后的胚体置于微波烧结装置中，在氩气气氛下，加热至1250℃，保温5min，经冷却后，放入研钵中研磨，即可获得v2alc粉体材料。
31.通过上述方法制得的v2alc块体材料的密度和纯度结果下表所示：实施例烧结方式烧结助剂密度(g/cm3)纯度对比例1无压无3.2665.3%对比例2无压2%laf33.4073.4%对比例3微波无3.7884.5%
实施例1微波4%laf33.9099.1%实施例2微波2%laf33.8592.3%实施例3微波4%cef33.8998.5%实施例4微波2%cef33.8691.8%通过上表数据分析发现，采用同样的烧结方式条件下，加入烧结助剂得到的v2alc块体材料的纯度和密度均比无烧结助剂添加时有所提高；同样，无烧结助剂添加条件下，v2alc块体材料在微波加热比无压加热时纯度和密度均有所提高；在微波加热条件下，烧结助剂的加入量越大，v2alc块体材料的纯度和密度越高，在微波条件下，加入4%laf3时，v2alc块体材料的纯度和密度最高。高纯度和高密度的v2alc块体材料在耐磨材料和v2c 二维材料的前驱体材料方面具有广泛的应用。
32.将按照上述方法所制备的制备v2alc块体材料通过x射线衍射、扫描电子显微镜进行测试，分析如下：图1为实施例1中v:al:c=2:1.2:1（摩尔比），添加4%laf3作为烧结助剂，在240mpa压力压制后，用微波烧结法在1250℃条件下烧结后的x射线衍射。几乎没有杂质峰，说明本实施例可成功合成纯度较高的v2alc。
33.图2为不同工艺条件下合成v2alc块体材料，图2（a）是对比例2在无压添加烧结助剂条件下合成的v2alc块体材料，有较多杂质峰，并且v2alc的衍射峰强度不高，说明无压条件下得到的v2alc块体材料杂质种类多，纯度低；图2（b）是对比例3在微波不加烧结助剂条件下合成的v2alc，杂质峰减少，但峰的衍射强度仍不高，说明在微波不加烧结助剂条件下得到的v2alc块体材料杂质种类少，纯度仍然低；图2（c）（d）是实施例3和实施例1在微波且添加4%烧结助剂条件下合成的v2alc，几乎没有杂质峰，并且v2alc的衍射峰强度明显增强，说明在微波添加烧结助剂条件下得到的v2alc块体材料杂质种类少，纯度高。
34.图3为实施例1中v:al:c=2:1.2:1（摩尔比），添加4%laf3作为烧结助剂，在240mpa压力压制后，用微波烧结法在1250℃条件下烧结后的扫描电镜图，通过扫面电镜图可以明显观察到条状v2alc晶粒，晶粒细小，微观组织均匀，有完整的层状结构。