本發(fā)明涉及三元層狀化合物塊體陶瓷的制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，一類具有層狀結(jié)構(gòu)的新型陶瓷材料三元M_n+1AX_n(M為過渡金屬，A為主族元素，X為C或N，n＝1～3)相化合物得到廣大材料科學(xué)工作者的青睞，成為了研究熱點。Ti₂SnC三元陶瓷是M_n+1AX_n中的211相，兼有金屬和陶瓷的優(yōu)良性能，具有良好的導(dǎo)電性(14×10⁶Ω^-1·K^-1)和低硬度(3.5GPa)、優(yōu)良的抗氧化性和抗熱震性、較高的自潤滑性和耐腐蝕性、較好的機(jī)械加工性等。

目前關(guān)于Ti₂SnC的合成主要為熱壓(HP)、熱等靜壓(HIP)以及無壓燒結(jié)等方法。M.W.Barsoum等人(Prog.Solid.St.Chem,28(2000)201)以Ti粉、Sn粉、C粉為原料，將Ti/Sn/C按化學(xué)計量比(2:1:1)利用熱等靜壓技術(shù)于氬氣氛中40MPa壓力及1250℃的條件下保溫4h合成了致密的塊體Ti₂SnC材料。Li等人(Mater.Lett,60(2006)3530)以Ti/Sn/C為原料在1250℃的溫度下無壓燒結(jié)0.5小時合成了Ti₂SnC材料。從目前的研究情況來看，此類材料存在合成溫度高、加熱時間長、耗能高、成本高以及工藝復(fù)雜等缺點。

在已公開專利“一種Ti₂SnC陶瓷粉體材料的制備方法”(公開號：104211402A)中雖然公開了Ti₂SnC陶瓷粉體材料的制備方法，利用該粉體材料制成塊體陶瓷需要二次加工，增加制備成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的要解決現(xiàn)有Ti₂SnC塊體陶瓷是利用Ti₂SnC陶瓷粉體材料加工而成，導(dǎo)致成本增加，操作復(fù)雜的問題，而提供一種Ti₂SnC塊體陶瓷的制備方法。

一種Ti₂SnC塊體陶瓷的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、稱料：按摩爾比為Ti:Sn:C＝2:(0.8～1.5):(0.6～1.2)稱取Ti粉、Sn粉和C粉；

二、混料：將步驟一稱取的Ti粉、Sn粉和C粉與瑪瑙球按的球料比10:1放入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑球磨混合10h～40h，得到混合后的粉末；

三、干燥：將混合后的粉末放入真空烘箱中烘干，得到烘干后的粉末；

四、制坯：將烘干后的粉末放入冷壓磨具中，在4MPa的壓力下壓制，制成直徑為55mm、高為10mm～50mm及相對密度為55％的預(yù)制坯；

五、自蔓延燃燒及致密化處理：將直徑為55mm、高為10mm～50mm及相對密度為55％的預(yù)制坯放入燃燒反應(yīng)器中，在氬氣作為保護(hù)氣的條件下，燃燒反應(yīng)器內(nèi)壓力0.01MPa，在直徑為55mm、高為10mm～50mm及相對密度為55％的預(yù)制坯的上表面中心點火，進(jìn)行自蔓延燃燒合成反應(yīng)，自蔓延燃燒合成反應(yīng)5s～12s后在90MPa～280MPa的壓力下保壓9s～15s，再將保壓后反應(yīng)產(chǎn)物埋入石英砂冷卻至室溫，即得到Ti₂SnC塊體陶瓷。

本發(fā)明優(yōu)點：

本發(fā)明方法利用自蔓延燃燒合成/準(zhǔn)等靜壓原位合成工藝，以低成本的鈦粉、錫粉和碳粉為原料制備出高純度、高致密化的Ti₂SnC陶瓷塊體，具有以下優(yōu)點：1、制備工藝成本低，反應(yīng)時間短，耗能低生產(chǎn)效率高；2、合成與致密化同時進(jìn)行，一次成型無需二次加工；3、高致密化的塊體Ti₂SnC陶瓷，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和高的電導(dǎo)率，是新一代的電刷和電極的理想材料，并且具有廣闊的應(yīng)用前景和社會經(jīng)濟(jì)效益；4、Ti₂SnC陶瓷粉體中存在雜質(zhì)相，而根據(jù)Ti₂SnC陶瓷塊體的XRD圖可知，Ti₂SnC陶瓷塊體中不存在雜質(zhì)相TiC和TixSny，少量的Sn為將降溫過程中沉淀析出；5、Ti₂SnC陶瓷粉體中存在類盤狀和片狀結(jié)構(gòu)，而Ti₂SnC陶瓷塊體中為片狀結(jié)構(gòu)符合三元MAX相陶瓷的結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1是實施例6制備的Ti₂SnC塊體陶瓷的XRD圖，圖中表示Ti₂SnC，圖中●表示Sn；

圖2是對比實施例5制備的Ti₂SnC陶瓷粉體的XRD圖，圖中表示Ti₂SnC，圖中◆表示TiC，圖中●表示Ti_xSn_y；

圖3是實施例6制備的Ti₂SnC塊體陶瓷的SEM圖；

圖4是對比實施例5制備的Ti₂SnC陶瓷粉體的SEM圖。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式是一種Ti₂SnC塊體陶瓷的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、稱料：按摩爾比為Ti:Sn:C＝2:(0.8～1.5):(0.6～1.2)稱取Ti粉、Sn粉和C粉；

二、混料：將步驟一稱取的Ti粉、Sn粉和C粉與瑪瑙球按的球料比10:1放入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑球磨混合10h～40h，得到混合后的粉末；

三、干燥：將混合后的粉末放入真空烘箱中烘干，得到烘干后的粉末；

四、制坯：將烘干后的粉末放入冷壓磨具中，在4MPa的壓力下壓制，制成直徑為55mm、高為10mm～50mm及相對密度為55％的預(yù)制坯；

五、自蔓延燃燒及致密化處理：將直徑為55mm、高為10mm～50mm及相對密度為55％的預(yù)制坯放入燃燒反應(yīng)器中，在氬氣作為保護(hù)氣的條件下，燃燒反應(yīng)器內(nèi)壓力0.01MPa，在直徑為55mm、高為10mm～50mm及相對密度為55％的預(yù)制坯的上表面中心點火，進(jìn)行自蔓延燃燒合成反應(yīng)，自蔓延燃燒合成反應(yīng)5s～12s后在90MPa～280MPa的壓力下保壓9s～15s，再將保壓后反應(yīng)產(chǎn)物埋入石英砂冷卻至室溫，即得到Ti₂SnC塊體陶瓷。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一的不同點是：步驟一中按摩爾比為Ti:Sn:C＝2:(0.9～1.2):(0.8～1.1)稱取Ti粉、Sn粉和C粉。其他與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二之一不同點是：步驟一中按摩爾比為Ti:Sn:C＝2:1.05:1稱取Ti粉、Sn粉和C粉。其他與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三二之一不同點是：步驟四中將烘干后的粉末放入冷壓磨具中，在4MPa的壓力下壓制，制成直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯。其他與具體實施方式一至三相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四二之一不同點是：步驟五中自蔓延燃燒合成反應(yīng)7s～10s后在150MPa～250MPa的壓力下保壓12s～15s。其他與具體實施方式一至四相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五二之一不同點是：步驟五中自蔓延燃燒合成反應(yīng)7s后在180MPa的壓力下保壓12s。其他與具體實施方式一至五相同。

本發(fā)明內(nèi)容不僅限于上述各實施方式的內(nèi)容，其中一個或幾個具體實施方式的組合同樣也可以實現(xiàn)發(fā)明的目的。

采用下述試驗驗證本發(fā)明效果：

實施例1：一種Ti₂SnC塊體陶瓷的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、稱料：按摩爾比為Ti:Sn:C＝2:1:0.8稱取Ti粉、Sn粉和C粉；

二、混料：將步驟一稱取的Ti粉、Sn粉和C粉與瑪瑙球按的球料比10:1放入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑球磨混合24h，得到混合后的粉末；

三、干燥：將混合后的粉末放入真空烘箱中烘干，得到烘干后的粉末；

四、制坯：將烘干后的粉末放入冷壓磨具中，在4MPa的壓力下壓制，制成直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯；

五、自蔓延燃燒及致密化處理：將直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯放入燃燒反應(yīng)器中，在氬氣作為保護(hù)氣的條件下，燃燒反應(yīng)器內(nèi)壓力0.01MPa，在直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯的上表面中心點火，進(jìn)行自蔓延燃燒合成反應(yīng)，自蔓延燃燒合成反應(yīng)7s后在170MPa的壓力下保壓10s，再將保壓后反應(yīng)產(chǎn)物埋入石英砂冷卻至室溫，即得到Ti₂SnC塊體陶瓷。

本實施例中的Ti粉的粒度為300目，純度為99％以上；Sn粉的粒度為300目，純度為99％以上。

對本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷進(jìn)行相對密度的檢測，本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷的相對密度為92.2％。

實施例2：一種Ti₂SnC塊體陶瓷的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、稱料：按摩爾比為Ti:Sn:C＝2:1.3:1.2稱取Ti粉、Sn粉和C粉；

二、混料：將步驟一稱取的Ti粉、Sn粉和C粉與瑪瑙球按的球料比10:1放入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑球磨混合24h，得到混合后的粉末；

三、干燥：將混合后的粉末放入真空烘箱中烘干，得到烘干后的粉末；

四、制坯：將烘干后的粉末放入冷壓磨具中，在4MPa的壓力下壓制，制成直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯；

五、自蔓延燃燒及致密化處理：將直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯放入燃燒反應(yīng)器中，在氬氣作為保護(hù)氣的條件下，燃燒反應(yīng)器內(nèi)壓力0.01MPa，在直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯的上表面中心點火，進(jìn)行自蔓延燃燒合成反應(yīng)，自蔓延燃燒合成反應(yīng)5s后在180MPa的壓力下保壓9s，再將保壓后反應(yīng)產(chǎn)物埋入石英砂冷卻至室溫，即得到Ti₂SnC塊體陶瓷。

本實施例中的Ti粉的粒度為300目，純度為99％以上；Sn粉的粒度為300目，純度為99％以上。

對本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷進(jìn)行相對密度的檢測，本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷的相對密度為91.7％。

實施例3：一種Ti₂SnC塊體陶瓷的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、稱料：按摩爾比為Ti:Sn:C＝2:1.4:0.9稱取Ti粉、Sn粉和C粉；

二、混料：將步驟一稱取的Ti粉、Sn粉和C粉與瑪瑙球按的球料比10:1放入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑球磨混合36h，得到混合后的粉末；

三、干燥：將混合后的粉末放入真空烘箱中烘干，得到烘干后的粉末；

四、制坯：將烘干后的粉末放入冷壓磨具中，在4MPa的壓力下壓制，制成直徑為55mm、高為20mm及相對密度為55％的預(yù)制坯；

五、自蔓延燃燒及致密化處理：將直徑為55mm、高為20mm及相對密度為55％的預(yù)制坯放入燃燒反應(yīng)器中，在氬氣作為保護(hù)氣的條件下，燃燒反應(yīng)器內(nèi)壓力0.01MPa，在直徑為55mm、高為20mm及相對密度為55％的預(yù)制坯的上表面中心點火，進(jìn)行自蔓延燃燒合成反應(yīng)，自蔓延燃燒合成反應(yīng)10s后在150MPa的壓力下保壓15s，再將保壓后反應(yīng)產(chǎn)物埋入石英砂冷卻至室溫，即得到Ti₂SnC塊體陶瓷。

本實施例中的Ti粉的粒度為300目，純度為99％以上；Sn粉的粒度為300目，純度為99％以上。

對本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷進(jìn)行相對密度的檢測，本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷的相對密度為94.2％。

實施例4：一種Ti₂SnC塊體陶瓷的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、稱料：按摩爾比為Ti:Sn:C＝2:1.2:1.2稱取Ti粉、Sn粉和C粉；

二、混料：將步驟一稱取的Ti粉、Sn粉和C粉與瑪瑙球按的球料比10:1放入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑球磨混合36h，得到混合后的粉末；

三、干燥：將混合后的粉末放入真空烘箱中烘干，得到烘干后的粉末；

四、制坯：將烘干后的粉末放入冷壓磨具中，在4MPa的壓力下壓制，制成直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯；

五、自蔓延燃燒及致密化處理：將直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯放入燃燒反應(yīng)器中，在氬氣作為保護(hù)氣的條件下，燃燒反應(yīng)器內(nèi)壓力0.01MPa，在直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯的上表面中心點火，進(jìn)行自蔓延燃燒合成反應(yīng)，自蔓延燃燒合成反應(yīng)12s后在240MPa的壓力下保壓10s，再將保壓后反應(yīng)產(chǎn)物埋入石英砂冷卻至室溫，即得到Ti₂SnC塊體陶瓷。

本實施例中的Ti粉的粒度為300目，純度為99％以上；Sn粉的粒度為300目，純度為99％以上。

對本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷進(jìn)行相對密度的檢測，本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷的相對密度為90.8％。

實施例5：一種Ti₂SnC塊體陶瓷的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、稱料：按摩爾比為Ti:Sn:C＝2:1.5:1.1稱取Ti粉、Sn粉和C粉；

二、混料：將步驟一稱取的Ti粉、Sn粉和C粉與瑪瑙球按的球料比10:1放入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑球磨混合24h，得到混合后的粉末；

三、干燥：將混合后的粉末放入真空烘箱中烘干，得到烘干后的粉末；

四、制坯：將烘干后的粉末放入冷壓磨具中，在4MPa的壓力下壓制，制成直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯；

五、自蔓延燃燒及致密化處理：將直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯放入燃燒反應(yīng)器中，在氬氣作為保護(hù)氣的條件下，燃燒反應(yīng)器內(nèi)壓力0.01MPa，在直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯的上表面中心點火，進(jìn)行自蔓延燃燒合成反應(yīng)，自蔓延燃燒合成反應(yīng)9s后在200MPa的壓力下保壓15s，再將保壓后反應(yīng)產(chǎn)物埋入石英砂冷卻至室溫，即得到Ti₂SnC塊體陶瓷。

本實施例中的Ti粉的粒度為300目，純度為99％以上；Sn粉的粒度為300目，純度為99％以上。

對本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷進(jìn)行相對密度的檢測，本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷的相對密度為93.1％。

實施例6：一種Ti₂SnC塊體陶瓷的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、稱料：按摩爾比為Ti:Sn:C＝2:1.1:1.0稱取Ti粉、Sn粉和C粉；

二、混料：將步驟一稱取的Ti粉、Sn粉和C粉與瑪瑙球按的球料比10:1放入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑球磨混合24h，得到混合后的粉末；

三、干燥：將混合后的粉末放入真空烘箱中烘干，得到烘干后的粉末；

四、制坯：將烘干后的粉末放入冷壓磨具中，在4MPa的壓力下壓制，制成直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯；

五、自蔓延燃燒及致密化處理：將直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯放入燃燒反應(yīng)器中，在氬氣作為保護(hù)氣的條件下，燃燒反應(yīng)器內(nèi)壓力0.01MPa，在直徑為55mm、高為10mm及相對密度為55％的預(yù)制坯的上表面中心點火，進(jìn)行自蔓延燃燒合成反應(yīng)，自蔓延燃燒合成反應(yīng)7s后在180MPa的壓力下保壓12s，再將保壓后反應(yīng)產(chǎn)物埋入石英砂冷卻至室溫，即得到Ti₂SnC塊體陶瓷。

本實施例中的Ti粉的粒度為300目，純度為99％以上；Sn粉的粒度為300目，純度為99％以上。

對本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷進(jìn)行相對密度的檢測，本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷的相對密度為96.4％。

對本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷進(jìn)行X射線衍射檢測，如圖1所示，圖1是實施例6制備的Ti₂SnC塊體陶瓷的XRD圖，圖中表示Ti₂SnC，圖中●表示Sn，通過對圖1分析可知，本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷中不存在雜質(zhì)相TiC和Ti_xSn_y，少量的Sn為將降溫過程中沉淀析出。

對本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷進(jìn)行電鏡掃描，如圖3所示，圖3是實施例6制備的Ti₂SnC塊體陶瓷的SEM圖，通過圖3可知，本實施例制備的Ti₂SnC塊體陶瓷是片狀結(jié)構(gòu)，符合三元MAX相陶瓷的結(jié)構(gòu)。

對比實施例5：一種Ti₂SnC陶瓷粉體的制備方法，具體是按以下步驟完成的：

一、稱料：按摩爾比為Ti:Sn:C:TiC＝2:1.05:1.1:0.1稱取Ti粉、Sn粉、C粉和TiC粉；

二：混料：將步驟一稱取的Ti粉、Sn粉、C粉和TiC粉與瑪瑙球按的球料比10:1放入球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑球磨混合24h，得到混合后的粉末；

三、干燥：將混合后的粉末放入真空烘箱中，在溫度為60℃下烘干，得到烘干后的粉末；

四、制坯：將烘干后的粉末放入冷壓磨具中，在10MPa的壓力下壓制，制成相對密度為55％的預(yù)制坯；

五、自蔓延燃燒：將相對密度為55％的預(yù)制坯放入燃燒反應(yīng)器中，在氬氣作為保護(hù)氣的條件下，燃燒反應(yīng)器內(nèi)壓力0.01MPa，在相對密度為55％的預(yù)制坯的上表面中心點火，進(jìn)行自蔓延燃燒合成反應(yīng)，冷卻至室溫后，得到自蔓延燃燒塊體；

六、粉碎、過篩：將自蔓延燃燒塊體進(jìn)行研磨粉碎，過篩后得到Ti₂SnC陶瓷粉體。

本實施例中的Ti粉的粒度為300目，純度為99％以上；Sn粉的粒度為300目，純度為99％以上。

對本實施例制備的Ti₂SnC陶瓷粉體進(jìn)行X射線衍射檢測，如圖2所示，圖2是對比實施例5制備的Ti₂SnC陶瓷粉體的XRD圖，圖中表示Ti₂SnC，圖中◆表示TiC，圖中●表示Ti_xSn_y，通過分析本實施例制備的Ti₂SnC陶瓷粉體中Ti₂SnC的含量為89.7％。通過與圖1對比可知，雖然本實施例制備的Ti₂SnC陶瓷粉體中Ti₂SnC的含量達(dá)到89.7％，但是仍然存在雜質(zhì)相TiC和Ti_xSn_y。

對本實施例制備的Ti₂SnC陶瓷粉體進(jìn)行電鏡掃描，如圖4所示，圖4是對比實施例5制備的Ti₂SnC陶瓷粉體的SEM圖，通過圖4可知，本實施例制備的Ti₂SnC陶瓷粉體中存在類盤狀和片狀結(jié)構(gòu)，不完全符合三元MAX相陶瓷的結(jié)構(gòu)。