Cr2GaC MAX相的制备以及Ga晶须自发生长规律研究

摘要

MAX相是一类新型三元层状化合物，由M、A和X三种元素组成，其化学通式表达为Mn+1AXn，其中，M:过渡金属，A:A族元素，X:碳或氮，n=1，2，3……。电子结构研究表明M-X之间以强的共价键和离子键结合，M-A之间以较弱的共价键和金属键结合，M-M之间以金属键结合。其独特的晶体结构，使其同时兼备金属和陶瓷材料优良性能;有望近期在锂电池、燃料电池、高铁、核能以及国防等领域发挥优势。然而，在MAX相表面发现了与Sn晶须自发生长相似的A元素晶须自发生长现象。这一现象引起了人们对MAX相材料稳定性的疑虑。近年来，MAX相表面A元素晶须的研究工作仍然处于发展阶段，研究工作多借鉴传统的相关金属晶须自发生长的模型与机制，例如压应力机制，但是这些机理多为针对某一特定的材料、在特定环境所提出，至今尚无一个完善的晶须自发生长机理可以为科学界所普遍接受。
　　本研究选取MAX材料的一种——Cr2GaC，为研究对象，研究MAX相材料Cr2GaC的制备及其表面Ga晶须自发生长现象。首先利用无压反应烧结法制备了Cr2GaC，研究合成温度和Ga含量对Cr/Ga/C混合物反应烧结后相组成的影响，发现在1100℃保温120min能够得到主相为Cr2GaC的MAX相材料，随着Ga含量从低到高变化，制备产物主相均为Cr2GaC，杂质相从Cr7C3相变化到Ga单质相。
　　在经过球磨、冷压成型的Cr2GaC坯体材料表面，观察到Ga晶须大量快速生长现象。该现象遵守三条规律:1）样品中的自由Ga元素是Ga晶须自发生长的物质来源;2）球磨过程产生的Cr2GaC晶粒解理面是Ga晶须自发生长的必要条件;3）环境温度，如低温，会促进Ga晶须自发生长。对于实验观察到的诸多现象，比如基体孔隙尺寸明显小于晶须直径、以及压应力小的区域晶须生长密度较大等，用传统金属晶须自发生长的压应力机理无法解释。本文根据上述Ga晶须自发生长的三条规律，提出了解理面催化机理:Cr2GaC晶粒中因机械破坏（球磨）产生的解理面能够作为Ga晶须自发生长的催化剂，在有自由Ga原子存在的Cr2GaC晶粒解理面上，Ga晶须会被催化形核。该机理可以合理地解释Cr2GaC坯体表面Ga晶须自发生长现象。
　　另一方面，在实际应用中，主要使用的是致密的Cr2GaC烧结体，而烧结体表面也会长出晶须，晶须的长出会影响其力学性能、电学性能，会给系统带来意外事故。所以，本文制备了Cr2GaC烧结体，并研究Ga含量、致密度对于烧结体表面Ga晶须自发生长的影响。观察Cr2GaC烧结体表面Ga晶须自发生长的规律:1）自由Ga元素是Cr2GaC烧结体表面Ga晶须自发生长的必要条件;2）烧结体致密度越大，表面越不容易长出Ga晶须。应用解理面催化机理，可以合理地解释实验中观察到的Ga晶须形貌，进一步证明了本文提出的解理面催化机理的合理性和科学性，对于解决MAX相表面A元素晶须自发生长这一问题提供了一个新的视角。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 MAX相材料概述

1．1．1 MAX相材料的性能

1．1．2 MAX相材料的应用

1．2 MAX相材料的制备方法

1．3 MAX相表面A元素晶须自发生长

1．3．1 MAX相表面A元素晶须自发生长现象

1．3．2 MAX相表面A元素晶须自发生长机理研究

1．3．3 与MAX相表面A元素晶须类似的金属晶须自发生长问题

1．4 本课题研究所需解决的关键问题

1．5 本课题研究的意义

第二章 技术路线与研究方法

2．1 实验技术路线

2．2 实验原材料

2．3 实验所用设备介绍

2．3．1 KTL-1600管式烧结炉

2．3．2 24T压片机

2．3．3 其他试验设备

2．4 实验方法

2．4．1 无压反应烧结法制备Cr2GaC粉体

2．4．2 无压反应烧结法制备Cr2GaC烧结体

2．4．3 Cr2GaC表面Ga晶须自发生长规律研究

2．5 表征手段

2．5．1 密度

2．5．2 微观组织观察与结构分析

第三章 Cr2GaC材料的制备

3．1 温度对Cr／Ga／C合成产物相组成的影响

3．1．1 实验部分

3．1．2 实验结果与分析

3．1．3 温度对Cr/Ga／C合成产物相组成的影响

3．2 Ga含量对产物相组成的影响

3．2．1 实验部分

3．2．2 实验结果与分析

3．2．3 Ga含量对Cr/Ga/C无压反应烧结合成产物相组成的影响

3．3 本章结论

第四章 Cr2GaC坯体表面Ga晶须自发生长规律及其机理

4．1 Ga晶须白发生长的影响因素

4．1．1 实验部分

4．1．2 实验结果及分析

4．1．3 小结

4．2 Cr2GaC坯体表面Ga晶须自发生长机理

4．2．1 Ga晶须与一般金属晶须的典型特征

4．2．2 质疑压应力机理

4．2．3 Ga晶须自发生长的催化机理

4．2．4 小结

4．3 本章结论

第五章 Cr2GaC烧结体表面Ga晶须自发生长规律

5．1 Ga含量对Cr2GaC烧结体表面Ga晶须自发生长的影响

5．1．1 实验部分

5．1．2 实验结果及分析

5．1．3 小结

S．2 致密度对Cr2GaC烧结体表面Ga晶须自发生长的影响

5．2．1 实验部分

5．2．2 实验结果及分析

5．2．3 小结

5．3 本章结论

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢