真空热压烧结制备二硒化铌复合材料的研究

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【摘 要】 将不同形貌的二硒化铌纳米材料与铜粉混合，冷压制成片状圆柱体，在真空热压烧结炉中制备出复合材料，采用JSM-7001F扫描电子显微镜和JEM-2100透射电子显微镜表征形貌和微观结构观察。采用固相反应的方法制备出的二硒化铌复合材料，分别呈纤维和片层结构，具有良好的结晶性和纯度。

【关键词】 二硒化铌 铜基复合材料 材料表征

1 前言

二硒化铌具有和二硫化钼类似的晶体结构和摩擦学特性，而电阻率仅为10-4Ω.cm比二硫化钼低六个数量级，比石墨低一个数量级。用片状二硒化铌-Ag制备的复合材料在航天飞机的导电滑环上有成功的应用，而二硒化铌纳米纤维既有减摩耐磨的作用，又可以提高复合材料的力学性能。我们利用真空热压烧结炉分别制备出纤维状和层状结构的二硒化铌复合材料。

2 试验

取实验室制备的二硒化铌纳米材料分别与铜粉（200目2.7N）配置成二硒化铌纳米材料的质量百分比分别为5%、10%、15%、20%的八种混合粉末，每种混合粉末混合均匀后先在150MPa下进行冷压，持续时间10min，再分别在700℃和800℃的真空热压炉中烧结1h。利用X射线分析仪（XRD），扫描电子显微镜（SEM），透射电子显微镜（TEM）等研究二硒化铌复合材料的表面形貌、微观结构。

3 结果与讨论

图1为制备的纤维状和片层状二硒化铌复合材料的SEM图片。从（a）中可以看出，加热温度为700℃时反应生成了纤维状二硒化铌复合材料，直径比较均匀，且取向基本一致，且生成的产物为实心的纳米纤维，直径在100～300nm范围内，纤维表面光滑，没有明显的缺陷存在，只是在纤维端部存在不规则的断面。由于范德华力的影响，使得制备的纤维相互粘结成束。（b）是单根纤维的TEM图片，生成的纤维外壁平坦光滑，粗细均匀。（c）图是800℃获得的二硒化铌复合材料片层结构，样品呈现较为规则的六边形状，粒度均匀，粒径在10μm左右，厚度约为2μm。个别片层发生彼此之间发生粘结，形成大的不规则片层结构，可能是由于石英管中局部温度较高所致。从图中还可以看出，部分片层的表面层发生了卷曲，可以说明所制备的材料是层状的，这一点也可以有图中看出。从图中可以看到单个片层的层状结构，片层厚度约为几十nm。

图2（a）为纤维状二硒化铌复合材料的透射电子显微镜图片，由图中可以看出交叉在一起，直径大约为200nm和300nm的两根纤维，外壁较为光滑，较粗一根纤维由于长度较长（几十微米）未能拍摄全貌。由图中可以很明显的看到，纤维的整体颜色不均，个别地方出现暗黑色，原因可能有两个：一是由于铌的相对原子量较大，核外电子多，使得电子束不易透过，因此，得到的TEM图像发暗；二是纤维内部生长不均匀，存在大量缺陷所致。由图中较细一根纤维可以看出，纤维生长的初期阶段形成了非常细小的纤维，由于其表面能很大，随着温度的升高或者保温时间的增加这些细小的纤维会黏结成束形成较粗的纤维。插图为纳米纤维的高分辨（HRTEM）图像，由图可以看出纤维材料具有明显的层状结构，经过计算层间距为6.2，但也存在着大量的位错，这有可能是因为在此条件下（600℃）硒粉过量，与铌粉反应不充分，生成产物不均一（包括二硒化铌，NbSe3，Nb2Se9等）导致形成了非共格界面。图2（b）为片层状纳米二硒化铌的透射电镜图，图中可以看出，较小的纳米颗粒由于其较大的表面能而团聚在一起，但可以看出颗粒形状为六边形，较大的纳米片则很明显的呈现出规则的六边形，由图2（b）的高分辨插图可以清楚地看到纳米片的晶体生长完美。

图3为纤维状和片层状二硒化铌复合材料的XRD图谱。从图中可以看出，两种温度下的产物XRD图谱主峰均主要为（002）相。同PDF65-7464卡片给出的二硒化铌的XRD图谱相吻合。可以证实，产物主要是二硒化铌。但同时在图3（a）中出现少量的NbSe3，在图3（b）中出现Nb2O5等铌的氧化物。这主要是因为二硒化铌纤维的形成是在NbSe3前驱体的基础上进一步失去Se原子形的，因此，在生成的二硒化铌纤维中会存在少量的NbSe3。而随着温度的升高，在形成片层的过程中，硒原子会蒸发为气氛，使得部分铌与氧发生反应，生成了铌的氧化物。

4 结语

采用真空热压烧结方法制备的二硒化铌复合材料，并进行形貌和结构材料表征，结果表明：实心的纳米纤维，直径在100～300nm范围内，在生成的二硒化铌纤维中会存在少量的NbSe3，而随着温度的升高，在形成片层的过程中，硒原子会蒸发为气氛，使得部分铌与氧发生反应，生成了铌的氧化物。