Cr2GaC MAX相的制備以及Ga晶須自發(fā)生長規(guī)律研究.pdf

1、MAX相是一類新型三元層狀化合物，由M、A和X三種元素組成，其化學(xué)通式表達(dá)為Mn+1AXn，其中，M:過渡金屬，A:A族元素，X:碳或氮，n=1，2，3……。電子結(jié)構(gòu)研究表明M-X之間以強(qiáng)的共價(jià)鍵和離子鍵結(jié)合，M-A之間以較弱的共價(jià)鍵和金屬鍵結(jié)合，M-M之間以金屬鍵結(jié)合。其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，使其同時(shí)兼?zhèn)浣饘俸吞沾刹牧蟽?yōu)良性能;有望近期在鋰電池、燃料電池、高鐵、核能以及國防等領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢。然而，在MAX相表面發(fā)現(xiàn)了與Sn晶須自發(fā)生長相似的A

2、元素晶須自發(fā)生長現(xiàn)象。這一現(xiàn)象引起了人們對MAX相材料穩(wěn)定性的疑慮。近年來，MAX相表面A元素晶須的研究工作仍然處于發(fā)展階段，研究工作多借鑒傳統(tǒng)的相關(guān)金屬晶須自發(fā)生長的模型與機(jī)制，例如壓應(yīng)力機(jī)制，但是這些機(jī)理多為針對某一特定的材料、在特定環(huán)境所提出，至今尚無一個(gè)完善的晶須自發(fā)生長機(jī)理可以為科學(xué)界所普遍接受。
　　本研究選取MAX材料的一種——Cr2GaC，為研究對象，研究MAX相材料Cr2GaC的制備及其表面Ga晶須自發(fā)生長現(xiàn)象。

3、首先利用無壓反應(yīng)燒結(jié)法制備了Cr2GaC，研究合成溫度和Ga含量對Cr/Ga/C混合物反應(yīng)燒結(jié)后相組成的影響，發(fā)現(xiàn)在1100℃保溫120min能夠得到主相為Cr2GaC的MAX相材料，隨著Ga含量從低到高變化，制備產(chǎn)物主相均為Cr2GaC，雜質(zhì)相從Cr7C3相變化到Ga單質(zhì)相。
　　在經(jīng)過球磨、冷壓成型的Cr2GaC坯體材料表面，觀察到Ga晶須大量快速生長現(xiàn)象。該現(xiàn)象遵守三條規(guī)律:1）樣品中的自由Ga元素是Ga晶須自發(fā)生長的物質(zhì)來

4、源;2）球磨過程產(chǎn)生的Cr2GaC晶粒解理面是Ga晶須自發(fā)生長的必要條件;3）環(huán)境溫度，如低溫，會促進(jìn)Ga晶須自發(fā)生長。對于實(shí)驗(yàn)觀察到的諸多現(xiàn)象，比如基體孔隙尺寸明顯小于晶須直徑、以及壓應(yīng)力小的區(qū)域晶須生長密度較大等，用傳統(tǒng)金屬晶須自發(fā)生長的壓應(yīng)力機(jī)理無法解釋。本文根據(jù)上述Ga晶須自發(fā)生長的三條規(guī)律，提出了解理面催化機(jī)理:Cr2GaC晶粒中因機(jī)械破壞（球磨）產(chǎn)生的解理面能夠作為Ga晶須自發(fā)生長的催化劑，在有自由Ga原子存在的Cr2GaC

5、晶粒解理面上，Ga晶須會被催化形核。該機(jī)理可以合理地解釋Cr2GaC坯體表面Ga晶須自發(fā)生長現(xiàn)象。
　　另一方面，在實(shí)際應(yīng)用中，主要使用的是致密的Cr2GaC燒結(jié)體，而燒結(jié)體表面也會長出晶須，晶須的長出會影響其力學(xué)性能、電學(xué)性能，會給系統(tǒng)帶來意外事故。所以，本文制備了Cr2GaC燒結(jié)體，并研究Ga含量、致密度對于燒結(jié)體表面Ga晶須自發(fā)生長的影響。觀察Cr2GaC燒結(jié)體表面Ga晶須自發(fā)生長的規(guī)律:1）自由Ga元素是Cr2GaC燒結(jié)體