專利名稱：一種氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料及制備方法，具體為一種原位熱壓/固-液相反應(yīng)制備氧化鋁(Al2O3)顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦(Ti3AlC2)基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
Ti3AlC2是一種新型的三元層狀陶瓷材料。文獻(xiàn)1材料學(xué)報(bào)(Acta Materialia50，3141(2002))中研究表明它綜合了陶瓷和金屬的諸多優(yōu)點(diǎn)，具有高模量、低硬度、高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率以及易加工等特點(diǎn)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。但作為一種結(jié)構(gòu)材料，它的強(qiáng)度和硬度偏低，限制了其廣泛應(yīng)用。引入硬質(zhì)陶瓷顆粒是提高三元層狀陶瓷強(qiáng)度的有效方法之一，目前還沒有Ti3AlC2強(qiáng)化方面的報(bào)道。已有的工作只集中在對另一種與Ti3AlC2結(jié)構(gòu)和性能相似的層狀陶瓷Ti3SiC2的顆粒強(qiáng)化上。碳化鈦、碳化硅和氧化鋁作為強(qiáng)化相被加入或原位合成制備Ti3SiC2基復(fù)合材料，但是性能上存在許多矛盾的結(jié)論。例如，同樣是一種Ti3SiC2/Al2O3復(fù)合材料，美國陶瓷學(xué)會會刊(Journal of American Ceramic Society 85，3099(2002))中Luo等人的研究表明隨著氧化鋁加入量的增多，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度逐漸下降；而國際陶瓷(Ceramic International 28，931(2002))中Wang等人的研究結(jié)果表明加入氧化鋁后復(fù)合材料的強(qiáng)度增加。另一方面，上述Ti3SiC2/Al2O3復(fù)合材料的制備都是采用先合成硅碳化鈦(Ti3SiC2)粉體，再與氧化鋁混合燒結(jié)，工藝比較復(fù)雜，而且在后續(xù)燒結(jié)過程中不可避免地產(chǎn)生碳化鈦雜質(zhì)，將會影響材料的高溫抗氧化性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種力學(xué)性能好、純度高、操作簡單、工藝條件容易控制、成本低的氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基(Ti3AlC2/Al2O3)復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基復(fù)合材料，由氧化鋁(Al2O3)顆粒增強(qiáng)相和鋁碳化鈦(Ti3AlC2)基體組成，其中氧化鋁顆粒增強(qiáng)相的體積百分?jǐn)?shù)為5～30％。
所述氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基復(fù)合材料的制備方法，以單質(zhì)鈦粉、鋁粉、石墨粉以及氧化鋁粉作為原料，其中Ti∶Al∶C的摩爾比為3∶(0.9～1.1)∶(1.8～2.0)，氧化鋁粉按預(yù)定體積比添加，原料粉經(jīng)物理機(jī)械方法混合8～24小時(shí)，裝入石墨模具中冷壓，施加的壓強(qiáng)為10～20MPa，在通有惰性氣體保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為5～50℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1400～1600℃、燒結(jié)時(shí)間為0.5～2小時(shí)、燒結(jié)壓強(qiáng)為20～40MPa。本發(fā)明可以制備出具有高純度、高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫和可加工等綜合性能的氧化鋁顆粒增強(qiáng)鈦碳化鋁基復(fù)合材料。
所述加入的鈦粉、鋁粉、石墨粉粒度范圍為200～400目，加入的氧化鋁顆粒直徑為0.1～10微米；所述燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)；所述惰性氣體為氬氣、氦氣或氖氣；所述物理機(jī)械方法混合采用在酒精介質(zhì)下的球磨法。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是2l、純度高、力學(xué)性能好。采用本發(fā)明方法制備的Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料只由鋁碳化鈦和氧化鋁兩相組成，不含其它雜質(zhì)，如碳化鈦等。這就充分發(fā)揮了氧化鋁的強(qiáng)化優(yōu)勢，既提高了材料的力學(xué)性能，又能保證材料在高溫應(yīng)用中抗氧化性不會下降，甚至有所增強(qiáng)。利用本發(fā)明，氧化鋁粒子可以均勻分布在鈦碳化鋁基體中，也會使增強(qiáng)效果大大增強(qiáng)。Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料的硬度、壓縮強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均比純Ti3AlC2提高30～80％，尤其是當(dāng)增強(qiáng)相的含量為10vol.％左右時(shí)，材料的斷裂韌性達(dá)到8.8MPa·m1/2，比純Ti3AlC2提高了約20％。另外，實(shí)驗(yàn)證明在高溫下，Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料仍然能夠保持上述增強(qiáng)效果。
2、工藝簡單，成本低。本發(fā)明是通過原位熱壓/固-液相反應(yīng)，燒結(jié)與致密化同時(shí)進(jìn)行，同時(shí)，由于氧化鋁十分穩(wěn)定，在燒結(jié)過程中不參與反應(yīng)，從而最終獲得Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料。由于在燒結(jié)過程中有液相的出現(xiàn)，利用液相的快速傳質(zhì)過程，使化學(xué)反應(yīng)時(shí)間大大縮短，又使致密化過程變得非常容易。相對于先合成兩相陶瓷，再混合燒結(jié)，既使工藝流程變得簡單，又節(jié)省了費(fèi)用。


圖1為Ti3AlC2/10vol.％Al2O3復(fù)合材料拋光后的背散射電子照片。
圖2為Ti3AlC2/10vol.％Al2O3復(fù)合材料的彎曲斷口掃描電鏡照片。
圖3為Ti3AlC2和Ti3AlC2/10vol.％Al2O3復(fù)合材料的室溫和高溫抗彎強(qiáng)度的對比。橫梁速度為0.5mm/min。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1將粒度范圍為200～400目的鈦粉140.5克、鋁粉28.01克、石墨21.28克和9.48克氧化鋁粉(5vol.％，顆粒直徑為2～5微米)在酒精介質(zhì)中球磨8小時(shí)，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為10MPa，放入熱壓爐中熱壓燒結(jié)。升溫速率為10℃/分鐘，加熱到1500℃保溫1小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到25MPa。整個(gè)燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析為Ti3AlC2和Al2O3。阿基米德法測得的密度為4.18g/cm3，為理論密度的99.2％。Ti3AlC2/5vol.％Al2O3復(fù)合材料的維氏硬度為3.93GPa；壓縮強(qiáng)度為781MPa；抗彎強(qiáng)度為386MPa，斷裂韌度為8.5MPa·m1/2。
實(shí)施例2將粒度范圍為200～400目的鈦粉135.4克、鋁粉23.52克、石墨22.08克和19克氧化鋁粉(10vol.％，顆粒直徑為5～10微米)在酒精介質(zhì)中球磨16小時(shí)，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為15MPa，放入熱壓爐中熱壓燒結(jié)。升溫速率為20℃/分鐘，加熱到1550℃保溫1小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到30MPa。整個(gè)燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析為Ti3AlC2和Al2O3。阿基米德法測得的密度為4.17g/cm3，為理論密度的99.5％。Ti3AlC2/10vol.％Al2O3復(fù)合材料的維氏硬度為4.46GPa；壓縮強(qiáng)度為879MPa；抗彎強(qiáng)度為423MPa，斷裂韌度為8.8MPa·m1/2。1100℃的抗彎測試表明Ti3AlC2/10vol.％Al2O3復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度為236.1MPa。
實(shí)施例3將粒度范圍為200～400目的鈦粉119.24克、鋁粉24.48克、石墨19.86克和38.22克氧化鋁粉(20vol.％，顆粒直徑為0.1～2微米)在酒精介質(zhì)中球磨24小時(shí)，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為20MPa，放入熱壓爐中熱等靜壓燒結(jié)。升溫速率為50℃/分鐘，加熱到1600℃保溫1小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到40MPa。整個(gè)燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行，獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析為Ti3AlC2和Al2O3。阿基米德法測得的密度為4.15g/cm3，為理論密度的99.6％。Ti3AlC2/20vol.％Al2O3復(fù)合材料的維氏硬度為5.47GPa；壓縮強(qiáng)度為1138MPa；抗彎強(qiáng)度為500MPa，斷裂韌度為7.1Mpa·m1/2。
比較例采用與實(shí)施例2相同的工藝制備了純Ti3AlC2，阿基米德法測得的密度為4.21g/cm3，為理論密度的99.1％；維氏硬度為3.5GPa；壓縮強(qiáng)度為749MPa；抗彎強(qiáng)度為356MPa，斷裂韌度為7.2MPa·m1/2。1100℃的抗彎強(qiáng)度為133MPa.各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均遠(yuǎn)低于Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料。下面以Ti3AlC2/10vol.％Al2O3復(fù)合材料為例，具體說明加入氧化鋁后材料的組織和性能變化。
圖1為Ti3AlC2/10vol.％Al2O3復(fù)合材料拋光后的背散射電子照片?；伊辽南酁門i3AlC2基體，灰黑色的相為Al2O3顆粒。由圖可見增強(qiáng)相粒子可以均勻分布于基體中。圖2為Ti3AlC2/10vol.％Al2O3復(fù)合材料的彎曲斷口掃描電鏡照片，更加清楚的表明氧化鋁粒子既分布于Ti3AlC2的晶界處，也可以存在于晶粒內(nèi)，這就提高了顆粒強(qiáng)化的效果。這一點(diǎn)與背景技術(shù)中提到的其它復(fù)合材料的制備方法顯著不同，前者氧化鋁粒子只能存在于Ti3AlC2的晶界處。
圖3為Ti3AlC2和Ti3AlC2/10vol.％Al2O3復(fù)合材料的室溫和高溫抗彎強(qiáng)度的對比?？梢娂尤胙趸X粒子以后不但提高了Ti3AlC2的室溫強(qiáng)度，而且這種強(qiáng)化可以保持到高溫，甚至是1100℃。
由實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3和比較例可見，本方法制備的Ti3AlC2/Al2O3復(fù)合材料具有純度高、致密度高、力學(xué)性能好的優(yōu)點(diǎn)，加入氧化鋁顆粒提高了鈦碳化鋁的室溫和高溫強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基復(fù)合材料，其特征在于由氧化鋁顆粒增強(qiáng)相和鋁碳化鈦基體組成，其中氧化鋁顆粒增強(qiáng)相的體積百分?jǐn)?shù)為5～30％。
2.按照權(quán)利要求1所述氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于以單質(zhì)鈦粉、鋁粉、石墨粉以及氧化鋁粉作為原料，其中Ti∶Al∶C的摩爾比為3∶(0.9～1.1)∶(1.8～2.0)，氧化鋁粉按預(yù)定體積比添加，原料粉經(jīng)物理機(jī)械方法混合8～24小時(shí)，裝入石墨模具中冷壓，施加的壓強(qiáng)為10～20MPa，在通有惰性氣體保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為5～50℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1400～1600℃、燒結(jié)時(shí)間為0.5～2小時(shí)、燒結(jié)壓強(qiáng)為20～40MPa。
3.按照權(quán)利要求2所述氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述氧化鋁顆粒增強(qiáng)相的體積百分比為5～30％。
4.按照權(quán)利要求2所述氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述加入的氧化鋁顆粒直徑為0.1～10微米，加入的鈦粉、鋁粉、石墨粉粒度范圍為200～400目。
5.按照權(quán)利要求2所述氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)。
6.按照權(quán)利要求2所述氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述惰性氣體為氬氣、氦氣或氖氣。
7.按照權(quán)利要求2所述氧化鋁顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述物理機(jī)械方法混合采用在酒精介質(zhì)中球磨。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種原位熱壓/固－液相反應(yīng)制備Ti
文檔編號C04B35/64GK1769240SQ20041005069
公開日2006年5月10日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者周延春, 陳繼新 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所