一种室温下自发生长的晶须及其材料与制备方法

本发明涉及新型材料领域，特别涉及一种室温下自发生长的晶须及其材料与制备方法。

背景技术：

1、max相（m为过渡族金属元素，a为ⅲ-ⅵa族元素，一般为al，x为c、n元素）是一类三元层状化合物，且同时具有金属与陶瓷属性而广受学者的关注。除了纯max相以外，还有分别在m、a及x位的多元固溶体。现有的制备max或mab相固溶体的方法主要有熔盐法、高温粉末冶金法。有学者采用熔融的路易斯酸盐（如zncl2、cucl2等）与粉末状的ti2alc等max相反应，利用熔盐中的zn2+等阳离子与max相的a位元素al原子发生部分置换反应而生成四元固溶体。但这种方法需要严格控制熔盐与max相的比例，否则，则不会生成四元固溶体，而是生成带cl-终端的mx即mx-cl。

2、晶须是由高纯度单晶生长而成的微纳米级的纤维，主要金属/合金等固体表面。近年来，有学者在以ti、sn、c粉为原料利用高温粉末冶金法制备的a位为sn的ti2snc max相上发现了sn晶须的生长，而维持sn晶须生长的原始sn来源于原始粉末中剩余的sn。但该max相需经过高温长时间的晶须培养后才能大量生长sn晶须，否则，生长速度非常缓慢，甚至难以发现。并且，由于制备该max相的原材料中就包括了sn粉，故能否成功制备出ti2snc max相还需借助x-射线衍射、透射电子显微镜等手段进一步表征。但不是所有含sn的max相都能生长sn晶须，如m2snc max相（m=zr, nb, hf等）及(zr, ti)2(al, sn)c max相双固溶体，都不能生长sn晶须。另外，虽然报道了ti2inb2 mab相生长in晶须，但未见有mab相自发生长sn晶须的报道。

3、发明人前期研究发现一定成分范围内的fe-cr-b铸钢热浸镀铝时会在其组织中的(cr, fe)2b/al界面上生成由cr-al-b mab相与feal3交替组织的周期性层片结构。通过调整铝液的成分（如zn、si等）可制备cr-(al, zn)-b mab相等固溶体，但zn等原子对cr-al-bmab相中的al原子的置换率较低，并未见有晶须的生长。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种室温下自发生长的晶须及其材料与制备方法。

2、本发明的目的通过以下的技术方案实现：

3、一种室温下自发生长的晶须及其材料，该晶须为β-sn，并在室温下自发生长在发白的周期性层片结构中的cr-al-b mab相的区域上。

4、本发明还提供一种室温下自发生长的晶须及其材料的制备方法，包括如下步骤：

5、步骤一、热浸镀al-sn合金：

6、将fe-(20-30) wt. % cr-(4-7) wt. % b铸钢浸入到al-xsn（x为sn的质量百分数）合金熔体中进行热浸镀铝，反应一定时间后迅速将试样从铝液中提出，空冷，得到表面附着残留an-sn合金层的fe-cr-b铸钢，而在fe-cr-b铸钢中的硼化物(cr, fe)2b/al-sn熔体的界面上则生成发白的由cr-al-b mab相和feal3交替组成的周期性层片结构。经研磨、抛光后获得的横截面组织中发白的cr-al-b mab相区域可在室温下自发生长sn晶须。

7、步骤二、后续扩散热处理：

8、将步骤（1）制备的热浸镀al-sn合金的试样在大气气氛下进行扩散热处理（700-800℃，1-2h），进一步使得周期性层片结构中的cr-al-b mab相发白。经研磨、抛光后获得的横截面组织中发白的cr-al-b mab相区域可在室温下自发生长sn晶须。

9、优选的方案中，所述的室温下自发生长的晶须及其材料，发白的cr-al-b mab相是由sn元素造成；

10、优选的方案中，所述的室温下自发生长的晶须及其材料，发白的cr-al-b mab相的区域内同时存在cr-(al, sn)-b mab相固溶体、cr-al-b mab相及弥散分布的纳米级的纯sn相；

11、优选的方案中，所述步骤一中，铝液的成分为al-xsn合金，x在[2-80]范围内。

12、优选的方案中，步骤二中，所述扩散热处理是否需要依据步骤（1）x的值：x在[2-8）范围内必须要，而[8-80]范围内可不需要；

13、优选的方案中，步骤（1）中，先生成周期性层片结构，而后才发生其中的cr-al-bmab相发白，但周期性层片结构中的feal3不发白；

14、优选的方案中，所述的sn晶须的自发生长形貌与其生长环境有关：大气气氛中为带有纵向条纹的多边形结构，真空环境中为四棱柱结构。

15、优选的方案中，所述的sn晶须自发生长的sn的原始来源为发白的cr-al-b mab相区域内的纯sn，维持sn晶须生长的sn的质量传输路径为：纯sn相→(cr-al, sn)-b mab相→sn晶须；

16、优选的方案中，所述的cr-(al, sn)-b mab相固溶体是通过al-sn合金中的sn原子部分置换cr-al-b mab相中的al原子获得，且置换率高。

17、本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

18、1、利用简单工艺即通过fe-cr-b铸钢热浸镀al-sn合金或随后的扩散热处理，可制备cr-(al, sn)-b mab相固溶体，实现了sn原子对cr-al-b mab相中的al的部分置换，且置换率较大；

19、2、含有cr-(al, sn)-b mab相固溶体的区域可在室温下自发生成sn晶须，无需进行复杂的后处理，且晶须的生长与热浸镀al-xsn合金中的sn含量值x有关：x值较小时，经热浸镀al-sn合金后还须进行后续的扩散热处理，否则，不会生长sn晶须；x值较大时，则可只需热浸镀al-sn合金；

20、3、在热浸镀al-sn合金过程中，先生成由cr-al-b mab相和feal3交替组成的周期性层片结构，而后才发生其中的cr-al-b mab相发白即sn对cr-al-b mab相中的al原子的部分置换。因此，发白的过程扫描电子显微镜的背散射电子模式便清晰可见。

技术特征：

1.一种室温下自发生长的晶须及其材料，其特征在于所述的晶须为β-sn，并在室温下自发生长在发白的周期性层片结构中的cr-al-b mab相的区域上。

2.一种室温下自发生长的晶须及其材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的室温下自发生长的晶须及其材料，其特征在于：发白的cr-al-b mab相是由sn元素造成。

4.根据权利要求1所述的室温下自发生长的晶须及其材料，其特征在于：发白的cr-al-b mab相的区域内同时存在cr-(al, sn)-b mab相固溶体、cr-al-b mab相及弥散分布的纳米级的纯sn相。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述铝液的成分为al-xsn合金，x在[2-80]范围内。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤（2）是否需要依据x的值：x在[2-8）范围内必须要，而[8-80]范围内可不需要。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：先生成周期性层片结构，而后才发生其中的cr-al-b mab相发白，但周期性层片结构中的feal3不发白。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：sn晶须的自发生长形貌与其生长环境有关：大气气氛中为带有纵向条纹的多边形结构，真空环境中为四棱柱结构。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：sn晶须自发生长的sn的原始来源为发白的cr-al-b mab相区域内的纯sn，维持sn晶须生长的sn的质量传输路径为：纯sn相→(cr-al,sn)-b mab相→sn晶须。

10.根据权利要求4所述的室温下自发生长的晶须及其材料，其特征在于：所述的cr-(al, sn)-b mab相固溶体是通过al-sn合金中的sn原子部分置换cr-al-b mab相中的al原子获得，且置换率高。

技术总结本发明属于新型材料领域，公开了一种室温下自发生长的晶须及其材料与制备方法，所述的晶须为β‑Sn，可在室温下自发生长在发白的周期性层片结构中发白的Cr‑Al‑B MAB相的区域上。将Fe‑Cr‑B铸钢进行热浸镀Al‑Sn合金‑扩散热处理，进而原位生成发白的周期性层片结构。其中，发白的Cr‑Al‑B MAB相是由弥散分布的纳米级的纯Sn相和Sn原子部分置换Cr‑Al‑B MAB相中的Al原子而形成Cr‑(Al,Sn)‑B MAB相固溶体共同造成。本发明通过简单的工艺可生成双A位元素的MAB相固溶体，并可在其区域内自发生长Sn晶须。技术研发人员：张先满,郑镇海,胡琪,罗洪峰,刘世豪,覃佳艺受保护的技术使用者：海南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5