具有良好金属性能的层状三元碳化物和氮化物

并测定了其晶体结构为六方晶系，空间 了0 1 6 1 2 + 3
! 化合物的合成及性能研究
! " # $ % & ’ 等 ( 分别用热等静压合成了系列三元 碳化物和氮化物，表(所示为合成这些化合物的条 件。所合成的化合物都达到了很高的纯度，内部无 气孔，样品密度接近于理论密度；都有良好的机械 加工性能。在 ( )*的刻划压力下测得的显微硬度为 ，高 于 石 墨 和 大 多 数 金 属 的 显 微 硬 + , ! , -. / " 度，却比二元碳化物和氮化物 （如 0 陶瓷 1 2和 0 1 *） 的要低。它们都具有良好的导电性能、导热性能，
／ ；采用热等静压方法能制备出高纯、致密的材料；单相材料 该类化合物为层状的六方晶体结构，空间群为 0 1 1 2 % * 具有很好的导热性能和导电性能，有较低的显微硬度和较高的弹性模量和剪切模量，可以像金属一样进行加工，并 在高温下具有塑性等金属特性，同时具有高的屈服强度，高熔点、高热稳定性等陶瓷特性。
； ［修订日期］ # ［收稿日期］ ’ " " ! $ " # $ ’ & ’ " " ! $ " % $ " *
图! 3 （ ） 和3 （ ） 4 ( 4 5 @ 4 . ; 5 的晶胞图 C * ’ 的晶胞图 ’
（ ） （ ） " # % ! F B 4 G 2 = ; ; 8 H3 4 ( 4 5 . ; 5 C @ @ B E3 4 $ * ’ ’
［ ］ 多达* ， ， ， ， ， ， ， ?个以上 ! 。 . ; < @ A B ( B < = 0 C ( . D 和5 都可以作为平面层的原子。 E
，每三层中有一层 . 族原子；当 !:’ 时 3 4 . ; 9） ’ （如 3 ，4 和3 ） ，每四层中有一 4 ( 4 5 < = 5 . ; 5 4 * ’ 3 * ’ * ’ 层 . 族原子，共棱的过渡金属八面体层被平面层的 （如 3 ） ，每五 *时 4 . ; 5 . 族原子所分隔；而当 !: # * 层中才有一层 . 族原子。在它们的结构中，过渡金 属原子与碳原子或氮原子之间形成八面体，碳原子 或氮原子位于八面体的中心，过渡金属原子与碳原 子或氮原子之间的结合为强共价键；而过渡金属原 子与 . 族平面之间为弱结合，类似于层状石墨层间 由 范得华力而结合。这类化合物由于在结构上有如
［关键词］,!-! . / ( 4 5 3 4 !； * ’；结构 ［中图分类号］ ； 3 6 ! ’ * ) * 3,’ 7 % ［文献标识码］ .
最近，一类具有层状结构的三元碳化物或氮化 物陶瓷受到了材料科学工作者的广泛重视。它们同 时具有金属和陶瓷的优良性能。和金属一样，在常 温下，有很好的导热性能和导电性能，有较低的维 氏显微硬度和较高的弹性模量和剪切模量，像金属 和石墨一样可以进行机械加工，并在高温下具有塑 性；同时，它具有陶瓷材料的性能，有高的屈服强 度，高熔点、高热稳定性和良好的抗氧化性能；更 有意义的是它们有甚至优于石墨和 , 的自润滑 8 ( ’ 性能。这些化合物可以用统一的分子式 , . / !! ! 来表示，其中，, 为过渡金属， . 主要为 ! 和 " 族 代表性的化合物有 元素， 当!: *时， / 为 5 和 9。 . ; 5 3 4 # * 等； 当 ! :’ 时， 代 表 性 的 化 合 物 有 3 4 ( 4 5 < = 5 . ; 5 3 4 4 ! ’ 相；当 ! * ’， * ’和3 * ’，简称为 * :! 时，代 表 性 的 化 合 物 有 3 4 < = 5，3 4 . ; 5和 ’ ’ . ; 9 等，又称为 > 相，已知属于 > 相的化合物 3 4 ’
第! !卷专辑’ I 8 ; ) ! !( ’
中国有色金属学报 & ’ () ’ # * ( + ( , . / * 0 1 23 * 2 ( / / . +4 ( 5 0 1 +
’ " " !年 ! !月 9 8 J )’ " " !
［文章编号］ （ ） ! " " # $ " % " & ’ " " ! ( ’ $ " " ’ & $ " #
表! 部分+ ( 3相和 9 相化合物的性能与 ， 0 1 2 0 1 * 的对比
。 E / " ［ ］ ( 近年 来，0 在固相合成 " ’ ? #和 ! " # $ % & ’ O!( ， 0 1 6 1 2 1 6 1 2 + 3 领域取得了突破性的进展，他们以 0 和石墨为原料，冷压后在( G )!( N ) )8 的温度和 的压力下热压 (!P （所需时间取决于相应 G )E / " > 的温度） ，可得到高纯度、致密的 0 1 6 1 2 + 3 陶瓷试 块。在( G )8 的 温 度 下 热 压G >所 得 的 试 样 中 （体积分数） 0 1 6 1 2 O N W，第二相为约+ W + 3 纯度达到 的0 1 2 1 6 1 2 ! ’的微晶； #，且 0 + 3 为颗粒尺寸为+ " 所得的试样中 0 而在 ( 5 ) )8的温度下热压 G > 1 6 1 2 + 3 含量 高 达 O ，样 品 的 密 度 亦 达 到 理 论 密 度 的 O W O O W 以 上，内 部 无 气 孔，0 1 6 1 2 ) )! + 3 主 要 为( ［ ］ O ! ( + 粗晶颗粒。 和 等 对用热 3 ) ) ’ 0 " ’ ? # ! " # $ % & ’ " 等静压制备的高纯度 0 1 6 1 2 + 3 陶瓷的物理性能作了
［ ］ ( O P O年 / " ’ & @ > 等 -!N 用自蔓延方法成功合 D 成了 0 ， 以固态的 0 ， ， 1 6 1 2 1 6 1 2 粉末在 H #气中经 + 3
很高的屈源自文库强度，在( + ) )8 的高温下都具有良好 的塑性。表3中列出了部分+ ( 3相和 9 相化合物的 电性能和显微硬度。
具有良好金属性能的层状三元碳化物和氮化物 !
’，梅炳初 ’，陈艳林 ’ 朱教群!，
（ ； ） ! )武汉理工大学 测试中心，武汉 # * " " + " ’ )武汉理工大学 材料复合新技术国家实验室，武汉 # * " " + "
［摘
要］综合介绍了分子式为 ,!-!. / ! 的三元碳化物和氮化物的结构特征、制备方法、主要性能和应用前景。
万方数据
［作者简介］朱教群 （ ，男，副教授，硕士) ! & % # $）
・+ )・
中国有色金属学报
3 ) ) (年 ( (月
此特点，使其在性能上综合了金属和陶瓷的众多优 点。
［ ］ + ， 1和 ( O 5 N年 T ? 1 = $ @ > R %和 * % I % ’ 1 9 ; 以气态 0 3 6 石墨为原料，在 3 ) ) )8条件下进行化学反应，合成
2 % ’ % & < A D 6 1 2 0 1 + 3 0 1 . ? 2 + 3 0 1 . ? 2 3 0 1 H F 2 3 0 1 H F * 3 E " = ? # 1 " F ， 0 1 6 1 2， 2 ， ， 0 1 . ? 2 ， ， 0 1 . ? 2 ， 0 1 H F 2 2 G +， ， 0 1 H F * 0 ? ’ ? # " = & # ?/ # ? $ $ & # ? D ／ ／ 8 E / " ( 5 ) ) ( ) ) ( 3 ) ) ( 5 ) ) ( 5 ) ) G ) G G G ) G ) 0 1 ’ ? ／ > G G G G G
# $ % & ’ ! / # % ? # = 1 ? $ % B $ % ’ ? + ( 3" < A D 9D > " $ ? $ 1 <@ % < = # " $ =I 1 = >0 1 2， 0 1 *
／ （ ・ J ? < $ 1 = @ ’7+） ; K 2 % ’ % & < A D 0 > ? % # ? = 1 @ " F E ? " $ & # ? A 0 1 6 1 2 G , + G , + 3 0 1 . ? 2 + 3 0 1 . ? 2 3 0 1 H F 2 3 0 1 H F * 3 0 1 2 0 1 * , N , 5 O G , ( ( G , + ( G , O + , G G , 3 3 , + G , ( G , + % < A & @ = 1 M 1 = ; E 1 @ # % L > " # A < ? $ $ 2 ／ ／ （6 ・ E / " ’7(） G , ) , , + , 3 ) ! + ) 3 )
5 G , 4 ( ) 5 G , 4 ( ) 5 G , G 4 ( ) 5 3 , P 4 ( ) 5 + , 3 4 ( ) 5 ( , 4 ( )
G , ) 4 ( )
5
［ ］ Q 1 < R ? F和 ! " # $ % & ’ 等 3 用超声波方法测定了 0 1 H F * 0 1 H F 2 1 6 1 2 G +， + ( , ( ( , P和 0 + 3 的弹性模量、剪切 模量和泊松比， （ ） ， 0 1 H F * + ( ) S 3 E / " G + 的相应值为
! 结构特征
该类化合物有相似的晶体结构，同属于六方晶 ／ 。图 ! （ ） 和 （C ） 所示分 体结构，空间群为 0 1 1 2 @ % * 别为 3 ( 4 5 . ; 5 的 结 构 图。从 图 中 可 以 得 4 4 * ’和3 ’ 出，紧密堆积的过渡金属八面体层被一平面层 . 族 原子所分隔，过渡金属八面体中心为碳原子或氮原 子。所不同的是：当!: （如 3 !时 4 < = 5， 3 4 . ; 5和 ’ ’
［ ， ］ O ( + 全面的检测和分析。他们 测定高纯 0 1 6 1 2 + 3的 5 ・ 在室 温 下 的 导 电、导 热 系 数 分 别 为G , -4( ) 6 7 5 7 ／ （’ ・ ， 热膨胀系数为 ’7(， + NX Y） O , 3 4 ( ) Y (。 ［ ］ ( ( 他们 还对两种不同显微结构 （颗粒大小分别为 +
1 2 的含量变 0 1 2 的显微硬度时，发现显微硬度随 0 化而 变 化，并 推 算 出 纯 0 的显微硬度为 1 6 1 2 + 3
［ ］ P 。 不久前， 他们 用热压方法合成了 0 G. / " 1 2 含量 为( W的 0 1 6 1 2 L 0 1 2 复相陶瓷，其室温抗压强度 + 3 和三点抗弯强度分别为 （ ） 和 （ ） ( ( 3 )S3 N ) + ) S 5 +
5 5 ・ 7 电导率为3 4 ( ) ! 4 ( ) 6 ’ (，这类化合物都有 ［ ］
群为 / ／ ’ ，晶 格 参 数 为 ! U) 5 @ , + ) N < ’， "U + ’ 的理论密 1 6 1 2 ( , N 5 O < ’。由晶格常数可计算出 0 + 3 ［ ］ +。 G 以 ／ ，1 ， 度为G , + @ ’ . % = %和 9 % # " 1 6 1 2 F 2 F K G 0 G 和9 为气源，用化学气相沉积 （2 合成了 2 2 F V J） G 3 单晶或多晶相的 0 。但这类方法只能在实验 1 6 1 2 + 3 室极少量地制备出 0 的薄膜，难以进一步开 1 6 1 2 + 3 是近 发利用。固相反应方法合成高纯度的 0 1 6 1 2 + 3 年来材料科学工作者的活跃课题。
表" 三元碳化物和氮化物的合成条件 （9 ） : /
陶瓷试块。制得 ( ) ) ! ( 3 ) )8燃烧合成出 0 1 6 1 2 + 3 的陶瓷试块的主晶相为 0 ，同时也有少量的 1 6 1 2 + 3 亚化学计量化合物如 0 1 2 0 1 6 1 #， # 存在；材料的相 对密 度 不 超 过 理 论 密 度 的 O W， 9 V 在5 )! ，仍属于柔性陶瓷，可进行切削加工。 N 5E / " / " ’ L
［ ］ & @ > 等 -!N 测 定 了 第 二 相 0 1 2占( ) W !3 ) W的 D 陶瓷的力学性能，相应的弹性模量剪切模 0 1 6 1 2 + 3 量分别为+ 。在测定复相陶瓷 0 3 5和 ( + -. / " 1 6 1 2 L + 3
# $ % & ’ " 6 < = > ? $ 1 $ @ % < A 1 = 1 % < $ % B ; = ? # < " # " # C 1 A ? $ " < A< 1 = # 1 A ? $ ;@