專利名稱：熱壓制備高純度碳化鋁鈦塊體材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷塊體的制備方法，特別是一種高導(dǎo)電碳化鋁鈦Ti3AlC2陶瓷塊體及其熱壓制備方法。
背景技術(shù)：
碳化鋁鈦Ti3AlC2屬于新型三元層狀化合物。它集金屬和陶瓷的優(yōu)點于一身，集結(jié)構(gòu)和功能一體化，如具有高電導(dǎo)率、抗氧化、耐腐蝕、自潤滑、易加工等優(yōu)良性能。這種新型陶瓷可作為結(jié)構(gòu)和功能材料廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、交通運輸、新能源、電子信息等領(lǐng)域，如是高溫結(jié)構(gòu)件的優(yōu)選材料，是新一代電機電刷材料和熱交換材料、高速列車受電弓滑板材料、各種減摩耐磨部件、耐腐蝕構(gòu)件、固體自潤滑材料、燃料電池雙極板材料等。
在Ti-Al-C三元相圖中，由于Ti3AlC2的相區(qū)非常窄，因此合成高純度Ti3AlC2非常困難，產(chǎn)物中通常存在TiC等雜質(zhì)相，這對Ti3AlC2材料的導(dǎo)電、易加工、自潤滑等性能影響較大，因此限制了Ti3AlC2陶瓷在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，合成致密Ti3AlC2塊體主要采用熱壓及熱等靜壓技術(shù)。文獻1(J.Am.Ceram.Soc.，2000；83[4]825)報道，以Ti粉、Al4C3粉和石墨粉為原料，在1400C，70MPa壓力下熱等靜壓16小時，制備出Ti3AlC2塊體材料，但是由于Al4C3的吸濕性，最終產(chǎn)物中存在Al2O3雜質(zhì)相。中國發(fā)明專利ZL00123203.7，公開了一種以原位熱壓/固-液反應(yīng)方法制備Ti3AlC2塊體材料的方法。以Ti粉、Al粉和C粉為原料，按Ti∶Al∶C＝3∶1∶2的摩爾比配料，在1200～1500℃、25MPa壓力下熱壓0.5～4小時，得到Ti3AlC2塊體材料。文獻2(稀有金屬材料與工程，2005，34(1)132)報道，利用放電等離子快速燒結(jié)法，按Ti∶Al∶C＝3∶1.1∶1.8的摩爾比配料，在1500℃，20MPa的壓力下合成了Ti3AlC2塊體材料，但含有TiC雜質(zhì)相。
上述方法的特點是，不是燒結(jié)時間長，壓力大，就是合成材料的純度低。而且研究發(fā)現(xiàn)，采用上述配料時，高溫反應(yīng)過程中因Al的揮發(fā)損失，是導(dǎo)致TiC等雜質(zhì)相存在的主要原因。而Al的揮發(fā)損失與Ti/Al/C反應(yīng)系統(tǒng)中出現(xiàn)“熱爆”現(xiàn)象有關(guān)?！盁岜爆F(xiàn)象主要是由于Ti和C的劇烈反應(yīng)放出大量的熱引起的?！盁岜狈磻?yīng)的出現(xiàn)，使系統(tǒng)溫度急劇升高，造成Al揮發(fā)損失嚴(yán)重，改變了系統(tǒng)中各元素的反應(yīng)比例，影響生成物的純度?！盁岜狈磻?yīng)引起爐內(nèi)溫度劇烈波動，損害爐體的加熱件。即使添加B2O3，NaF等低熔點化合物來降低熱爆反應(yīng)程度，但由于低熔點組元的揮發(fā)導(dǎo)致爐體及加熱件的腐蝕和環(huán)境污染。尤其是制備大尺寸Ti3AlC2塊體材料時，熱爆反應(yīng)所導(dǎo)致的問題更加突出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是，改變傳統(tǒng)以Ti，Al和C為初始配料，解決由傳統(tǒng)配料合成Ti3AlC2時存在的問題，直接采用Ti，Al和TiC為原料，或添加適量Sn為反應(yīng)助劑，在穩(wěn)定的工藝參數(shù)下，以熱壓技術(shù)在較寬的溫度范圍、短時間內(nèi)，制備高純度和低成本Ti3AlC2塊體材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案為熱壓制備高純度碳化鋁鈦塊體材料方法(1)以Ti粉、Al粉和TiC粉為原料，Sn為反應(yīng)助劑，按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶(0.9～1)∶1∶(0～0.2)的摩爾比配料；(2)將上述配料和瑪瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，在球磨機上干混5～10小時；(3)將上述混好的配料放入石墨模具內(nèi)，將石墨模具置于熱壓爐中，在氬氣保護氣氛下，以20～50℃/分鐘的升溫速率將爐溫升至1350～1550℃，同時對模具中的粉料施加10～30MPa的壓力，保溫30～60分鐘，得到高純度大尺寸Ti3AlC2塊體材料。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的有益效果在于(1)本發(fā)明按照Ti∶Al∶TiC＝1∶1∶1的摩爾比配料，或添加適量Sn為反應(yīng)助劑，合成相同質(zhì)量的Ti3AlC2塊體材料，與傳統(tǒng)配料相比(Ti∶Al∶C＝3∶1∶2摩爾比)，減少了原料粉的含量，降低了成本。
(2)本發(fā)明的工藝流程簡單，工藝參數(shù)穩(wěn)定，在常規(guī)的熱壓爐中，氬氣(或真空)保護氣氛下，短時間，較低壓力，較寬的溫度范圍內(nèi)，制得高純度Ti3AlC2致密塊體材料。
(3)在以Ti，Al和C傳統(tǒng)配料合成Ti3AlC2的過程中，首先是Ti和Al反應(yīng)形成Ti-Al化合物，然后是Ti和C反應(yīng)生成TiC。生成的TiC與Ti-Al化合物反應(yīng)生成Ti3AlC2。但是相對于Ti3AlC2生成速度來看，系統(tǒng)中TiC的生成具有滯后性，降低了Ti3AlC2的合成速度。在Ti-Al-TiC配料中直接采用TiC，減少了Ti和C反應(yīng)生成TiC的過程和步驟，只要達到溫度，TiC與Ti-Al化合物直接反應(yīng)生成Ti3AlC2，使Ti3AlC2的合成速度加快。
(4)在配料中采用TiC代替全部C和部分Ti，避免了傳統(tǒng)配料Ti-Al-C系統(tǒng)中熱爆反應(yīng)的發(fā)生，不會引起溫度的波動，降低了Al的高溫損失問題，燒結(jié)工藝參數(shù)易于穩(wěn)定，有利于系統(tǒng)組分按設(shè)計比例生成，無TiC等雜質(zhì)相存在，合成Ti3AlC2材料的純度高。
(5)本發(fā)明所用配方，由于避免了傳統(tǒng)配料中出現(xiàn)的熱爆反應(yīng)和Al的高溫損失問題，因此能制備大尺寸高純度Ti3AlC2塊體材料。
(5)本發(fā)明采用Sn作為助劑，由于Sn的熔點低(232℃)，在低溫下液相開始出現(xiàn)，使配料中各組分趨于均勻化，有利于反應(yīng)進行。反應(yīng)完成后，Sn原子進入Ti3AlC2晶格內(nèi)形成固溶體，不會以雜質(zhì)相存在于產(chǎn)物中，因此對Ti3AlC2材料的純度和特性沒有實質(zhì)性影響。


圖1是本發(fā)明熱壓制備的Ti3AlC2陶瓷塊體材料的X-射線衍射(XRD)圖譜。
具體實施例方式
實施方式一1)按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶1∶1∶0.1的摩爾比配料，稱取Ti粉14.68克、Al粉8.29克、TiC粉18.38克，Sn粉3.64克。2)將上述配料和瑪瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，混料5小時。3)將混合均勻的配料放入石墨模具內(nèi)，將石墨模具置于熱壓爐中，氬氣保護氣氛下，以30℃/分鐘的升溫速率將爐溫升至1350℃，同時對模具中的粉料施加20MPa的壓力，保溫時間40分鐘，得到高純度Ti3AlC2致密塊體材料。該材料x-射線衍射(XRD)圖譜見附圖1。由圖可見，產(chǎn)物純度高，在XRD圖譜中無TiC等雜質(zhì)相存在。
實施方式二1)按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶1∶1∶0.15的摩爾比配料，稱取Ti粉14.12克、Al粉7.97克、TiC粉17.66克，Sn粉5.25克。2)將上述配料和瑪瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，混料5小時。3)將混合均勻的配料放入石墨模具內(nèi)，將石墨模具置于熱壓爐中，氬氣保護氣氛下，以40℃/分鐘的速率將爐溫升至1400℃，同時對模具中的粉料施加20MPa的壓力，保溫時間30分鐘，得到高純度Ti3AlC2致密塊體材料。其XRD結(jié)果與實施方式一相同。
實施方式三1)按Ti∶Al∶TiC＝1∶0.9∶1的摩爾比配料，稱取Ti粉16.29克、Al粉8.26克、TiC粉20.37克。2)將上述配料和瑪瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，混料8小時。3)將混合均勻的配料放入石墨模具內(nèi)，將石墨模具置于熱壓爐中，氬氣保護氣氛下，以40℃/分鐘的速率將爐溫升至1500℃，同時對模具中的粉料施加30MPa的壓力，保溫時間60分鐘，得到高純度Ti3AlC2致密塊體材料。其XRD結(jié)果與實施方式一相同。
實施方式四1)按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶1∶1∶0.1的摩爾比配料，稱取Ti粉83.29克、Al粉46.98克、TiC粉104.20克，Sn粉20.65克。2)將上述配料和瑪瑙球按球和料的重量比2∶1放入球磨罐中，混料10小時。3)將混合均勻的配料放入石墨模具內(nèi)，將石墨模具置于熱壓爐中，氬氣保護氣氛下，以30℃/分鐘的速率將爐溫升至1450℃，同時對模具中的粉料施加30MPa的壓力，保溫時間30分鐘，得到高純度、直徑為Φ120mm的大尺寸Ti3AlC2致密塊體材料。其XRD結(jié)果與實施方式一相同。
實施方式五1)按Ti∶Al∶TiC＝1∶0.9∶1的摩爾比配料，稱取Ti粉92.45克、Al粉46.9克、TiC粉115.61克。2)將上述配料和瑪瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，混料10小時。3)將混合均勻的配料放入石墨模具內(nèi)，將石墨模具置于熱壓爐中，氬氣保護氣氛下，以30℃/分鐘的速率將爐溫升至1500℃，同時對模具中的粉料施加30MPa的壓力，保溫時間60分鐘，得到高純度、直徑為Φ120mm的大尺寸Ti3AlC2致密塊體材料。其XRD結(jié)果與實施方式一相同。
權(quán)利要求
1.熱壓制備高純度碳化鋁鈦塊體材料的方法，該方法的步驟為(1)以Ti粉、Al粉和TiC粉為原料，Sn為反應(yīng)助劑，按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶(0.9～1)∶1∶(0～0.2)的摩爾比配料；(2)將上述配料和瑪瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，在球磨機上干混5～10小時；(3)將上述混合均勻的配料放入石墨模具內(nèi)，將石墨模具置于熱壓爐中，氬氣保護氣氛下，以20～50℃/分鐘的升溫速率將爐溫升至1350～1550℃，同時對模具中的粉料施加10～30MPa的壓力，保溫30～60分鐘，得到高純度大尺寸Ti3AlC2塊體材料。
全文摘要
熱壓制備高純度碳化鋁鈦塊體材料的方法，以Ti粉、Al粉和TiC粉為原料，適量的Sn為反應(yīng)助劑，按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶(0.9～1)∶1∶(0～0.2)的摩爾比配料，將配料和瑪瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，在球磨機上干混5～10小時后，將混合均勻的配料放入石墨模具內(nèi)，石墨模具置于熱壓爐中，氬氣保護氣氛下，以20～50℃/分鐘的速率將爐溫升至1350～1550℃，同時對模具中的粉料施加10～30MPa的壓力，保溫30～60分鐘，得到高純度大尺寸Ti
文檔編號C04B35/65GK1948220SQ200610114778
公開日2007年4月18日 申請日期2006年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月23日
發(fā)明者李世波, 貝國平, 向衛(wèi)華, 翟洪祥, 周洋 申請人:北京交通大學(xué)