專利名稱：一種鋁碳化鈦－碳化鈦/氧化鋁復(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)合材料及其制備方法，具體為一種原位合成氧化鋁(Al2O3)和碳化鈦(TiC)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Wang等人研究表明它綜合了陶瓷和金屬的諸多優(yōu)點(diǎn)，具有低密度、高模量、抗熱震和優(yōu)良的高溫抗氧化性等特點(diǎn)，因而在航空、航天、核工業(yè)、燃料電池和電子信息等高新技術(shù)領(lǐng)域都有著潛在的廣泛應(yīng)用前景。
由于純的Ti3AlC2強(qiáng)度和硬度偏低，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(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。作為一種引入顆粒增強(qiáng)相的方法，原位合成具有相界面潔凈、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)；另外，由于增強(qiáng)相是原位合成的，與通常的先制備出增強(qiáng)相，再和基體機(jī)械混合方法相比，制備成本大為降低。目前還沒有有關(guān)原位顆粒增強(qiáng)Ti3AlC2的報(bào)道。相關(guān)文獻(xiàn)集中在對(duì)另一種與Ti3AlC2結(jié)構(gòu)和性質(zhì)類似的三元層狀陶瓷材料，即硅碳化鈦(Ti3SiC2)的復(fù)合材料原位制備上，如文獻(xiàn)2材料快報(bào)(Scripta Materialia 34，1809(1996))中Radhakrishnan等人報(bào)道了原位制備的Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料，其硬度和斷裂韌度有所提高；文獻(xiàn)3合金與化合物期刊(Journal of Alloys and Compounds 350，303(2003))中Ho-Duc等人報(bào)道了基體為Ti3SiC2，并含有30％體積份數(shù)TiC或SiC的復(fù)合材料，其結(jié)果表明兩種復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度均比未增強(qiáng)的Ti3SiC2基體低，說明增強(qiáng)效果并不理想。

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、操作簡(jiǎn)單、工藝條件容易控制、成本低的鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種原位合成鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料，由氧化鋁顆粒增強(qiáng)相、碳化鈦顆粒增強(qiáng)相和鋁碳化鈦基體組成。氧化鋁顆粒增強(qiáng)相的體積百分?jǐn)?shù)為10～53％；碳化鈦顆粒增強(qiáng)相的體積百分?jǐn)?shù)為20～60％，鋁碳化鈦基體的體積百分?jǐn)?shù)為10-60％。
所述原位合成鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料的制備方法，是通過調(diào)整原料配比和合成溫度，制備出不同體積含量的鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料。原料采用二氧化鈦粉(TiO2)、鋁粉(Al)和石墨(C)粉，TiO2∶Al∶C的摩爾比為3∶(4.9～5.1)∶(1.8～2.0)。原料粉末經(jīng)物理機(jī)械方法混合8～24小時(shí)，裝入石墨模具中冷壓成型，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10～50℃/分鐘，燒結(jié)溫度為900～1600℃、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)明可以在較低溫度原位制備出具有較高強(qiáng)度的Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料。
所述加入的二氧化鈦粉為納米粉，粒度范圍為15～80納米，晶型為銳鈦礦或金紅石型；鋁粉和石墨粉粒度范圍為200～400目；所述燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)或壓力輔助燃燒合成；所述惰性氣體為氬氣、氦氣或氖氣；所述物理機(jī)械方法混合為在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介質(zhì)中球磨。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、增強(qiáng)相與基體間的界面純凈，力學(xué)性能好。采用本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)原位合成氧化鋁顆粒和碳化鈦顆粒同時(shí)增強(qiáng)鋁碳化鈦基體。該復(fù)合材料的硬度和抗彎強(qiáng)度均比純的鋁碳化鈦有較大幅度的提高。
2、工藝簡(jiǎn)單，成本低。在升溫過程中，超過某一溫度(如900℃)后，納米二氧化鈦將與鋁粉發(fā)生鋁熱反應(yīng)，瞬間放熱達(dá)到的高溫將使原本只有在更高溫度條件下才能出現(xiàn)的鋁碳化鈦得以生成。這就使得合成溫度大大降低，從而降低了燒結(jié)成本。進(jìn)一步提高溫度是為了使反應(yīng)進(jìn)行得更徹底。
3、鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料具有低密度、高模量、高硬度和高韌性等特點(diǎn)，同時(shí)強(qiáng)度又有所提高，因而不僅可以作為航空、航天結(jié)構(gòu)材料，也可以考慮作為一種切削刀具材料使用，因?yàn)樘蓟?氧化鋁復(fù)合材料本身就是一種重要的刀具材料。這里層狀鋁碳化鈦的存在將能夠改善材料斷裂韌性。


圖1不同原料配比的Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料的X射線衍射譜(a)3TiO2-5Al-2C，(b)3TiO2-5.1Al-1.9C和(c)3TiO2-5.1Al-1.8C。
圖2Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料的斷口照片，層狀的Ti3AlC2清晰可見。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1將粒度為15納米的銳鈦礦二氧化鈦粉15.03克、粒度為200目的鋁粉8.46克和粒度為400目的石墨粉1.51克在球磨罐中球磨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1000℃保溫2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、TiC和Al2O3三相，如圖1(a)所示。定量相分析表明Al2O3的體積含量約為50％，TiC的體積含量約為35％。
實(shí)施例2將粒度為30納米的銳鈦礦二氧化鈦粉22.47克、粒度為300目的鋁粉12.90克和粒度為400目的石墨粉2.15克在球磨罐中球磨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1500℃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、TiC和Al2O3三相，如圖1(b)所示。定量相分析表明Al2O3的體積含量約為48％，TiC的體積含量約為27％。
實(shí)施例3將粒度為50納米的金紅石二氧化鈦粉30.04克、粒度為400目的鋁粉17.24克和粒度為200目的石墨粉2.72克在酒精介質(zhì)的球磨罐中球磨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，放入熱壓爐中壓力輔助燃燒合成。所謂壓力輔助燃燒合成是指反應(yīng)物在達(dá)到某一溫度后將開始燃燒，燃燒放出的熱量會(huì)使反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，與此同時(shí)，需施加一定外力使之致密化。升溫速率為50℃/分鐘，加熱到1600℃保溫0.5小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到20MPa。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、TiC和Al2O3三相，如圖1(c)所示。定量相分析表明Al2O3的體積含量約為52％，TiC的體積含量約為21％。
比較例采用與實(shí)施例2相同的熱壓工藝制備了純Ti3AlC2，測(cè)得的維氏硬度為3.1GPa；抗彎強(qiáng)度為340MPa；而實(shí)施例2中所得Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料的維氏硬度為13.3GPa，是純Ti3AlC2的4.3倍；抗彎強(qiáng)度為466MPa，比純Ti3AlC2提高了37％。這一結(jié)果表明Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料的制備成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)Ti3AlC2的強(qiáng)化，可以使Ti3AlC2的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓寬。
由實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3和比較例可見，當(dāng)原料為二氧化鈦粉、鋁粉和石墨粉時(shí)，產(chǎn)物中可以出現(xiàn)層狀可加工陶瓷Ti3AlC2相(見圖2)。本方法制備的Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料同時(shí)具有純度高、合成溫度低、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料，其特征在于由氧化鋁顆粒增強(qiáng)相、碳化鈦顆粒增強(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10～53％；碳化鈦顆粒增強(qiáng)相的體積百分?jǐn)?shù)為20～60％，鋁碳化鈦基體的體積百分?jǐn)?shù)為10-60％。
2.按照權(quán)利要求1所述鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于原料為納米二氧化鈦粉、鋁粉和石墨粉，TiO2∶Al∶C的摩爾比為3∶(4.9～5.1)∶(1.8～2.0)；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成型，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10～50℃/分鐘，燒結(jié)溫度為900～1600℃、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所述鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所加入的二氧化鈦粉為納米粉，粒度范圍為15～80納米，晶型為銳鈦礦或金紅石型；鋁粉和石墨粉粒度范圍為200～400目。
4.按照權(quán)利要求2所述鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(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)或壓力輔助燃燒合成。
5.按照權(quán)利要求2所述鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(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。
6.按照權(quán)利要求2所述鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述物理機(jī)械方法混合采用在聚氨酯罐中干混或在酒精介質(zhì)中球磨。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種原位合成鋁碳化鈦－碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料及其制備方法。復(fù)合材料由氧化鋁顆粒增強(qiáng)相、碳化鈦顆粒增強(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10～53％；碳化鈦顆粒增強(qiáng)相的體積百分?jǐn)?shù)為20～60％，鋁碳化鈦基體的體積百分?jǐn)?shù)為10－60％。制備方法原料為納米二氧化鈦粉、鋁粉和石墨粉，TiO
文檔編號(hào)C04B35/565GK1970498SQ200510047788
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者周延春, 陳繼新 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所