新型Tin+1AlNn(n=1,3)/h-BN结构/功能一体化复合材料的设计、制备和性能研究

三元层状陶瓷Tin+1AlNn(n=1, 3) 是可加工的导电材料，h-BN陶瓷是可加工的绝缘材料。本项目拟将二者有机结合，期望得到一类新型电阻可调、可加工复相陶瓷。该材料将具有良好的电性能、导热性能、力学性能、抗热震性能、以及极佳的机加工特性等，是一类综合性能优异的新型结构/功能一体化复合材料。有望在金属蒸镀行业以及作为高温结构材料和抗腐蚀材料等方面具有非常广阔的应用前景。鉴于Tin+1AlNn(n=1, 3)和h-BN可能在复合材料制备过程中发生化学反应，本项目拟在充分了解二者的反应行为与反应机制的基础上，通过控制、抑制（或部分抑制）反应的进行，来设计、制备出电性能、力学性能可控的Tin+1AlNn(n=1, 3)/h-BN复合材料或原位反应合成其它新材料体系。并对材料的电学、力学、机加工等相关性能开展研究。

本项目首先研究了Tin+1AlNn(n=1, 3)在不同环境中的热稳定性。发现在Ar气中，当温度低于约980℃时，该类材料是稳定的；高于此温度，Tin+1AlNn将与环境中的微量氧发生氧化反应；当温度进一步升高，环境中的微量氮也将参与反应。相比之下，Ti4AlN3比Ti2AlN的稳定性略好。在N2气中，低温的氧化反应依然存在，并且在约1200℃发生了明显的氮化过程。根据以上实验结果，选择稳定性较好的Ti4AlN3与BN粉末进行混合，在Ar气中研究二者的反应。热分析表明二者在约1400℃发生了剧烈的反应；如采用放电等离子体烧结(SPS)技术，反应温度进一步降低至约1100℃。在低于发生反应温度以下制备的Tin+1AlNn(n=1, 3)/ h-BN复合材料为疏松、多孔的材料。正是对Ti-Al-B-N四元体系中存在的反应加以利用，我们制备出了新型Ti2AlN/TiB2复合材料。该材料的密度约为4.31g/cm3，相对密度为99%，弯曲强度达到了925MPa，是单相Ti2AlN（370MPa）的2.5倍，硬度约为13.4GPa，是单相Ti2AlN（4.3GPa）的3.1倍，弹性模量约为330GPa，电导率为6.6×106Ω-1·m-1。进而，我们以Ti-Al-BN为助剂，烧结出综合性能良好的TiB2陶瓷材料。