MAX相材料腐蚀行为研究——以Ti3AlC2、Ti3SiC2、Ti4AlN3为例

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MAX相是一类结合金属和陶瓷优异性能的纳米层状陶瓷材料,具有耐腐蚀、抗高温氧化、导电导热性良好、可加工等特性,因此在冶金、化工行业可作为电极材料,具有潜在应用前景。目前关于MAX相材料性能的研究报道已经很多,但是作为评价电极材料优劣的重要参数,材料在电压(电流)下的稳定性却很少有文献提及。因此本文着重介绍了Ti3AlC2,Ti3SiC2和Ti4AlN3等三种典型MAX相材料在外加电压下的稳定性,即动态腐蚀行为;同时也探究了高纯Ti4AlN3粉体在强腐蚀剂HF酸中的静态腐蚀行为,并对三种MAX相材料在HF酸中的腐蚀机理进行了深入探讨。本文工作对于如何从MAX相中选择合适的电极材料具有指导意义。  本论文主要工作如下:  (1)选取Ti3AlC2,Ti3SiC2和Ti4AlN3三种MAX相为实验对象,研究了它们在不同外加电压下的动态腐蚀行为。腐蚀测试主要通过CHI660D电化学工作站完成,采用标准三电极体系。结果表明,这三种MAX相材料在高电压下的腐蚀行为大致相同,都表现为整个MAX相晶胞的溶解,出现六方晶系特有的六角形孔洞。然而在低电压下,三种材料表现各异:Ti3AlC2主要表现为A位Al元素的溶出,边缘形成二元碳化物纳米片;Ti4AlN3仍然发生严重的溶解现象,表现出较为明显的层间腐蚀;而Ti3SiC2则相对稳定,晶粒能保持完整。这个结果表明氮化物MAX相在外加电压下最不稳定,而A位键合较强的碳化物MAX相则能在低压下保持相对稳定,更适合作为电极材料。  (2)继续研究了高纯Ti4AlN3粉体在不同浓度HF酸中的腐蚀行为。研究发现,在低浓度HF酸(如10 wt.%)中,因较低的溶解速率,Ti4AlN3晶粒能保持相对稳定性;在适中的浓度下(20 wt.%),Ti4AlN3主要表现为层间的溶解,能形成类MXene的手风琴状结构;而在高浓度(如40 wt.%)下,主要表现为整体活性溶解,基平面出现六角形孔洞。进一步对浸蚀后的Ti4AlN3粉体进行超声处理,可以得到一种新型三元Ti4AlN3相纳米片,该二维材料可用于制备规则排列的杂化高分子刷、独立支撑的透明膜,以及PMMA/Ti4AlN3片复合材料。
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