通过过滤铸造结合聚合物添加与等静压制备高韧性织构化Ti3AlC2 MAX相

《Open Ceramics》：Achieving high toughness textured Ti 3AlC 2 MAX phase by filtration casting with polymer addition and isostatic pressing

　　

通过一种结合真空过滤铸造(VFC)、无压烧结(PLS)、聚合物添加与等静压技术的新型路线，成功制备了高韧性织构化Ti₃AlC₂ MAX相材料。该制备路线避免了强磁场取向(SMFA)、放电等离子烧结(SPS)及热压(HP)工艺的需求，具有低成本及近净成形潜力。所得材料的断裂韧性达到14.1 MPa·m^1/2（平行于c轴方向），与采用SMFA结合SPS工艺制备的织构化MAX相材料性能相当。研究表明，适量聚乙二醇(PEG)添加剂可改善浆料稳定性与生坯质量，其中2%-PEG800组分展现出最优综合性能。冷等静压(CIP)处理提高了材料的相对密度，但降低了织构度；热等静压(HIP)处理则有效消除内部缺陷，显著提升力学性能。经CIP预压、PLS及HIP组合处理后的2%-PEG800样品，相对密度达到99.6%，硬度、抗弯强度及断裂韧性分别达到7.4 GPa、892 MPa和14.1 MPa·m^1/2，证实了该组合工艺在制备高性能MAX相陶瓷方面的有效性。该研究为低成本、规模化制备高性能织构化MAX相陶瓷提供了新途径，有望拓展此类材料在航空航天发动机及核反应堆等高温结构应用中的前景。

**织构化MAX相陶瓷的制备工艺革新与性能优化——论文解读**

**一、研究背景与意义**

陶瓷材料凭借高强度、高硬度及优异的化学稳定性在现代工业中占据重要地位，然而传统结构陶瓷固有的脆性使其对裂纹扩展敏感，难以承受剧烈温度变化，严重限制了其在苛刻工况下的应用。MAX相材料作为一类三元层状化合物，兼具金属与陶瓷的优异特性，为克服传统陶瓷的脆性缺陷提供了可能。其中，Ti₃AlC₂因其轻质、高强度、优异的抗氧化性能、高导电率及自愈合能力而备受关注，被视为航空发动机涡轮叶片和核反应堆结构部件的潜在候选材料。然而，非织构化Ti₃AlC₂的断裂韧性仅为7~8 MPa·m^1/2，虽高于传统陶瓷，但远低于可达到数十MPa·m^1/2的纤维增强SiC和Al₂O₃陶瓷基复合材料，这成为制约其工程应用的关键瓶颈。

为解决这一难题，各国研究者开展了大量探索。Hu等人利用强磁场取向(SMFA)结合放电等离子烧结(SPS)技术制备了织构化高韧性Nb₄AlC₃，断裂韧性首次达到纤维增强陶瓷基复合材料水平。但SMFA、SPS和热压(HP)等方法均依赖昂贵复杂的专用设备，难以实现大规模工业化生产。后来发展的纳米片热压法虽将Ti₃AlC₂断裂韧性提升至16.1 MPa·m^1/2，但仍受制于热压设备。部分研究者尝试采用流延成型和常压烧结等低成本方法制备MAX相，但烧结过程中缺乏压力导致材料强度和断裂韧性不足。

鉴于上述技术瓶颈和装备限制，开发一条无需强磁场、SPS和热压设备，兼具低成本和大尺寸近净成形潜力的新型制备路线，具有重要的科学意义和工程应用价值。本文即在此背景下，由Xie等研究人员在《Open Ceramics》期刊上发表了这项创新性研究。

**二、研究内容概述**

研究人员提出了一种将真空过滤铸造(VFC)、聚合物添加、冷等静压(CIP)、无压烧结(PLS)和热等静压(HIP)相结合的新型制备路线，旨在低成本条件下获得具有高断裂韧性的织构化Ti₃AlC₂ MAX相陶瓷。研究表明，适量聚乙二醇(PEG)添加剂的引入能够有效改善浆料稳定性与生坯质量，CIP处理有助于提升材料密度，HIP处理则通过消除内部缺陷进一步提升力学性能。最终，经VFC结合CIP/PLS/HIP组合工艺制备的2%-PEG800样品，其断裂韧性达到14.1 MPa·m^1/2，与SMFA和纳米片热压法制备的高性能织构化MAX相陶瓷相当，为低成本规模化制备高性能MAX相陶瓷开辟了新途径。

**三、主要关键技术与方法**

本研究涉及以下主要关键技术方法：纳米片状Ti₃AlC₂粉体的制备采用行星式球磨法，以Si₃N₄球与罐体在O₂:Ar=1:4混合气氛下以500 rpm转速球磨48 h获得；真空过滤铸造(VFC)工艺以无水乙醇为溶剂配制固含量50%的浆料，通过真空抽滤实现片状颗粒的取向排列形成生坯；聚合物添加剂选用分子量为600、800和1000的聚乙二醇(PEG)，添加量范围为0~5%；冷等静压(CIP)处理在200 MPa压力下保持30 s；无压烧结(PLS)在氩气气氛下于1500°C保温2 h；热等静压(HIP)处理在氩气气氛下于1200°C、保温2 h进行。微观结构表征采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)，力学性能测试包括维氏硬度、三点弯曲强度和单边缺口梁法(SENB)断裂韧性测试。所有原材料均购自上海耐欧纳米科技有限公司。

**四、研究结果与分析**

**4.1 PEG添加剂对微观结构和性能的影响**

研究人员系统考察了不同分子量(600、800、1000)和不同添加量(0~5%)的PEG对VFC和PLS法制备Ti₃AlC₂陶瓷微观结构和力学性能的影响。结果表明，仅2%-PEG800样品在硬度、抗弯强度和断裂韧性方面较无PEG样品均有统计学显著提升(p<0.05)，其硬度为6.7 GPa(∥c-axis)和6.4 GPa(⊥c-axis)，抗弯强度达685 MPa(∥c-axis)和641 MPa(⊥c-axis)，断裂韧性为11.4 MPa·m^1/2(∥c-axis)和10.9 MPa·m^1/2(⊥c-axis)，相对密度达96.7%。XRD分析显示，2%-PEG800样品在(008)晶面表现出明显的择优取向，Lotgering取向因子为0.38，与无PEG样品(0.41)相近。SEM观察表明，2%-PEG800样品具有最低的孔隙率，而无PEG和5%-PEG800样品则存在较多残留孔隙和大气孔聚集。PEG分子量对浆料流变行为有显著影响，低分子量PEG具有更多锚定基团，分散效果更佳，而高分子量PEG需更高添加量才能达到同等分散效果。

**4.2 CIP对微观结构和性能的影响**

研究人员对0-PEG和2%-PEG800两种生坯施加200 MPa冷等静压处理，生坯体积收缩约21%。密度测试显示，CIP处理使0-PEG样品相对密度从96.3%提升至97.1%，2%-PEG800样品从96.7%提升至97.4%。然而，CIP施加的各向同性压力破坏了VFC过程形成的单向取向排列结构，取向因子分别从0.41降至0.34(0-PEG)和从0.38降至0.29(2%-PEG800)。力学性能测试表明，CIP处理后0-PEG样品的抗弯强度显著提升至719 MPa(∥c-axis)和653 MPa(⊥c-axis)，2%-PEG800样品提升至762 MPa(∥c-axis)和690 MPa(⊥c-axis)(p<0.05)。但CIP处理导致断裂韧性下降，CIP/PLS 0-PEG样品的断裂韧性显著降至10.2 MPa·m^1/2(∥c-axis)和9.6 MPa·m^1/2(⊥c-axis)(p<0.05)。这表明CIP在提高密度的同时损失了织构度，两者对力学性能产生相互抵消的作用。

**4.3 HIP对微观结构和性能的影响**

研究人员将PLS样品以及CIP/PLS样品进行HIP处理(1200°C、2 h)，考察其对微观结构和性能的改善效果。SEM观察表明，HIP处理后所有样品的微观结构均高度致密，孔隙率显著减少。密度测试显示，HIP处理使样品相对密度从96%以上提升至99%以上，其中CIP/PLS 2%-PEG800样品从97.4%增至99.6%。力学性能方面，HIP处理显著提高了所有样品的硬度、抗弯强度和断裂韧性。2%-PEG800样品经CIP/PLS/HIP组合处理后获得了最优综合性能：硬度达7.4 GPa(TTS)和7.1 GPa(TSS)，抗弯强度达892 MPa(∥c-axis)和857 MPa(⊥c-axis)，断裂韧性达14.1 MPa·m^1/2(∥c-axis)和13.6 MPa·m^1/2(⊥c-axis)。值得注意的是，PLS/HIP样品的取向因子较PLS样品显著上升(0-PEG: 0.41→0.63；2%-PEG800: 0.38→0.52)，这归因于HIP高温高压条件促进了晶粒在特定方向的生长与取向排列。相比之下，CIP/PLS/HIP样品的取向因子较CIP/PLS样品有所下降，但密度更高。研究发现，抗弯强度主要由材料密度决定，而断裂韧性和硬度受密度与取向因子共同影响。XRD分析确认样品中除Ti₃AlC₂主相外，还存在约15±2 vol%的Al₂O₃相，其来源于球磨过程中粉末吸附氧气(含量7.3 wt%)与Ti₃AlC₂在烧结时发生的氧化反应。

**五、讨论与结论**

研究结果表明，通过VFC/CIP/PLS/HIP组合工艺制备的2%-PEG800织构化Ti₃AlC₂陶瓷在断裂韧性上达到了与SMFA结合SPS及纳米片热压法相媲美的水平，同时大幅降低了工艺复杂度和设备成本。与现有取向MAX相制备技术相比，本研究提出的方法避免了强磁场和热压烧结等苛刻条件，具有显著的经济优势和近净成形潜力。该研究为低成本规模化制备高性能织构化MAX相陶瓷提供了新的技术路线，有望推动MAX相材料在航空航天、核能等高端领域的工程化应用。