專利名稱：一種無(wú)TiC雜質(zhì)相的碳化硅鈦陶瓷粉體的合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷粉體的制備方法，特別是低成本碳化硅鈦Ti3SiC2陶瓷粉體的常壓合成方法，屬于陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳化硅鈦Ti3SiC2是新型層狀三元碳化物，它集金屬和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)于一身，象金屬一樣是優(yōu)良的熱電導(dǎo)體、易加工、相對(duì)較“軟”、對(duì)熱震不敏感、高溫表現(xiàn)塑性行為；象陶瓷一樣具有抗氧化性、高溫強(qiáng)度等。它是軸承、高溫結(jié)構(gòu)部件、高速帶電摩擦等部件的優(yōu)選材料，也可代替石墨或作為易加工陶瓷材料等得到廣泛應(yīng)用。因此批量合成低成本的Ti3SiC2粉體來(lái)制備各種部件具有十分重要的意義。
目前多采用Ti粉，Si粉和C粉為原料，按Ti∶Si∶C＝3∶1∶2摩爾比配料；或采用Ti粉，SiC粉和C粉按一定摩爾比配料，通過常壓、自蔓延高溫反應(yīng)、等離子放電等工藝合成Ti3SiC2粉體。但合成的粉體中通常含有TiC及硅化物等雜質(zhì)相，影響了Ti3SiC2粉體的純度。而且反應(yīng)系統(tǒng)中存在Ti粉和C粉通常會(huì)存在以下問題1)反應(yīng)過程中，由于Ti和C的反應(yīng)放出大量的熱，導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)“熱爆”現(xiàn)象，使系統(tǒng)溫度急劇升高，造成單質(zhì)Si揮發(fā)損失嚴(yán)重，從而改變了系統(tǒng)中各組元的反應(yīng)比例，影響Ti3SiC2的純度。
2)“熱爆”反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)物中存在TiC雜質(zhì)相。TiC的存在，不僅影響了Ti3SiC2粉料的純度，而且對(duì)Ti3SiC2材料的高電導(dǎo)率、自潤(rùn)滑和可加工等優(yōu)異特性均有不利影響；而且“熱爆”反應(yīng)導(dǎo)致溫度波動(dòng)，合成過程中溫度不易控制，工藝參數(shù)不穩(wěn)定。
3)采用上述配料合成Ti3SiC2時(shí)，由于原料中Ti粉的價(jià)格較高，用量較大，導(dǎo)致合成Ti3SiC2粉體的成本較高。
為解決反應(yīng)過程中熱爆反應(yīng)的發(fā)生，通常在配料中添加各種助劑。如文獻(xiàn)1(Ceram.Inter.，2002，28761.)報(bào)道，利用Ti粉、Si粉和C粉，添加B2O3作為助劑，在1200-1500℃范圍，經(jīng)2小時(shí)保溫，合成了Ti3SiC2，但粉料中含有TiC雜質(zhì)相。文獻(xiàn)2(Scrip.Mater.，1999；41(1)61.)報(bào)道，在Ti粉、Si粉和C粉中添加NaF為燒結(jié)助劑，在1250℃，Ar氣氛中保溫2小時(shí)，獲得了81wt％(重量比)的Ti3SiC2，雜質(zhì)相TiC和TiSi2占9wt％。添加上述燒結(jié)助劑，雖然降低了熱爆反應(yīng)程度，但仍不能解決雜質(zhì)相的問題，而且這些低熔點(diǎn)組元的揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致爐體內(nèi)加熱件的腐蝕和環(huán)境的污染。
最近，中國(guó)發(fā)明專利ZL200410009589.8報(bào)道了利用Ti粉、Si粉和C粉，添加Al為助劑，按照Ti∶Si∶C∶Al＝3∶1∶2∶0.2的摩爾比配料，在1430-1480℃范圍，僅保溫5-8分鐘，成功合成了高純度Ti3SiC2粉體。說明Al有效抑制了熱爆反應(yīng)的發(fā)生，而且反應(yīng)后Al不會(huì)以雜質(zhì)相的形式存在，而是固溶于Ti3SiC2中，不影響Ti3SiC2粉體的性能。這種方法有效解決了TiC雜質(zhì)相的存在問題，但無(wú)法降低Ti3SiC2粉體成本。
為解決Ti3SiC2的高成本問題，許多研究者利用TiC粉料來(lái)代替上述配料中的部分Ti和C，期望在降低熱爆反應(yīng)程度的同時(shí)，降低成本。因此，常用TiC粉、Si粉和Ti粉，或采用TiC粉、SiC粉和C粉按照一定配比配料通過不同工藝合成Ti3SiC2。文獻(xiàn)3(Scrip.Mater.，2001；451461.)報(bào)道，以Ti粉、SiC粉和TiC粉為原料，按照Ti∶SiC∶TiC＝4∶2∶1摩爾比配料，利用脈沖放電法，在1350℃，保溫30分鐘，獲得了92vol.％(體積比)Ti3SiC2，雜質(zhì)相TiC占8vol.％。文獻(xiàn)4(J.Eur.Ceram.Soc.，2002，222365.)報(bào)道，以Ti粉、Si粉和TiC粉為原料，按照Ti∶Si∶TiC＝1∶1∶2摩爾比配料，利用等離子放電合成法，在1300℃，保溫5分鐘，獲得Ti3SiC2塊體材料，但含有雜質(zhì)相TiC和TiSi2。
綜上所述，批量合成無(wú)TiC雜質(zhì)相、低成本的Ti3SiC2陶瓷粉體已成為迫切需要，對(duì)于促進(jìn)Ti3SiC2粉體的工業(yè)化生產(chǎn)以及Ti3SiC2材料的工程應(yīng)用具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的主要解決合成Ti3SiC2粉體中含有TiC雜質(zhì)相，成本高以及熱爆反應(yīng)的發(fā)生等問題。本發(fā)明采用Ti粉，Si粉和TiC粉為原料，添加Al為助劑，以常壓合成技術(shù)在較寬溫度范圍、短時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)無(wú)TiC雜質(zhì)相、低成本Ti3SiC2粉體的批量合成。
本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種低成本無(wú)TiC雜質(zhì)相的碳化硅鈦陶瓷粉體的常壓合成方法(1)以Ti粉、Si粉和TiC粉為原料，Al為反應(yīng)助劑，按Ti∶TiC∶Si∶Al＝1∶1∶0.9或1∶0.1～0.2的摩爾比配料；(2)將上述配料和瑪瑙球放入球磨罐中，在球磨機(jī)上干混5～10小時(shí)；(3)將上述混合均勻的配料在30～50MPa壓力下壓制成塊；(4)將上述壓塊置于高溫爐中，氬氣或真空氣氛下，以15～50℃/min的升溫速率將爐溫升至1450～1550℃，保溫時(shí)間為5～15min，制得無(wú)TiC雜質(zhì)相的Ti3SiC2粉體。
本發(fā)明的有益效果是第一，本發(fā)明按照Ti∶TiC∶Si＝1∶1∶1的摩爾比配料常壓合成Ti3SiC2，此配方與Ti∶Si∶C＝3∶1∶2配方相比，以TiC粉代替部分Ti粉，由于TiC粉的價(jià)格是Ti粉的1/3，因此按本配方合成Ti3SiC2的成本大大降低。
第二，本發(fā)明采用TiC代替全部C和部分Ti，避免了反應(yīng)系統(tǒng)中出現(xiàn)熱爆反應(yīng)的問題，不會(huì)引起溫度的波動(dòng)，降低了Si的高溫?fù)p失問題，有利于系統(tǒng)組分按設(shè)計(jì)比例生成，保證高純度Ti3SiC2的合成。
第三，本發(fā)明的工藝流程簡(jiǎn)單，在常規(guī)的真空爐中，氬氣或真空氣氛下，合成Ti3SiC2粉體純度高，合成溫度范圍寬，所用時(shí)間短，燒結(jié)工藝參數(shù)穩(wěn)定，宜于規(guī)?；a(chǎn)。
第四，本發(fā)明采用Al作為反應(yīng)助劑的優(yōu)點(diǎn)在于①在高于Al的熔點(diǎn)(660℃)溫度下，Al熔化形成液相。在液相環(huán)境下，各組分分布更加均勻，有利于反應(yīng)的進(jìn)行；②在液相環(huán)境下，有助于促進(jìn)Ti和Si反應(yīng)，形成化合物，避免了高溫下Si的揮發(fā)損失的問題，保證了配料中各組分按比例形成Ti3SiC2；③反應(yīng)完成后，Al以固溶的形式存在于Ti3SiC2晶格內(nèi)形成固溶體，而不會(huì)以雜質(zhì)相存在于產(chǎn)物中，因此對(duì)Ti3SiC2粉體的純度和特性沒有實(shí)質(zhì)性影響。


圖1是本發(fā)明常壓合成法制備Ti3SiC2粉體的工藝流程圖；圖2是本發(fā)明常壓合成法制備的Ti3SiC2粉體的X-射線衍射(XRD)圖譜。
具體實(shí)施例方式
下面如圖1所示，結(jié)合實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述實(shí)施例11)按Ti∶TiC∶Si∶Al＝1∶1∶0.9∶0.1的摩爾比配料，稱取Ti粉17.62克、Si粉9.34克、TiC粉22.04克，Al粉1.00克；2)如圖1所示將上述配料放入球磨罐中置于球磨機(jī)上混料5小時(shí)；
3)將混合均勻的配料置于壓塊模具中在30MPa的壓力下壓制成塊體；4)將上述壓塊放入高溫爐中，氬氣保護(hù)氣氛，以20℃/min的升溫速率將爐溫升至1500℃，保溫時(shí)間為10min。即制得Ti3SiC2粉，粉體的X-射線衍射(XRD)圖譜如圖2所示。由圖可見，產(chǎn)物純度高，在XRD圖譜中無(wú)TiC雜質(zhì)相存在。
實(shí)施例21)按Ti∶TiC∶Si∶Al＝1∶1∶0.9∶0.2的摩爾比配料，稱取Ti粉17.28克、Si粉9.13克、TiC粉21.62克，Al粉1.95克；2)將上述配料放入球磨罐置于球磨機(jī)上混料8小時(shí)；3)將混合均勻的配料置于壓塊模具中在40MPa的壓力下壓制成塊體；4)將上述壓塊放入高溫爐中，氬氣保護(hù)氣氛，以30℃/min的升溫速率將爐溫升至1550℃，保溫時(shí)間為5min。即制得Ti3SiC2粉，其XRD結(jié)果與實(shí)施方式一相同。
實(shí)施例31)按Ti∶TiC∶Si∶Al＝1∶1∶1∶0.15的摩爾比配料，稱取Ti粉17.09克、Si粉10.03克、TiC粉21.38克，Al粉1.45克；2)將上述配料放入球磨罐置于球磨機(jī)上混料10小時(shí)；3)將混合均勻的配料置于壓塊模具中在50MPa的壓力下壓制成塊體；4)將上述壓塊放入高溫爐中，真空氣氛，以40℃/min的升溫速率將爐溫升至1450℃，保溫時(shí)間為15min。即制得Ti3SiC2粉，其XRD結(jié)果與實(shí)施方式一相同。
權(quán)利要求
1.一種無(wú)TiC雜質(zhì)相的碳化硅鈦陶瓷粉體的合成方法，其特征在于(1)以Ti粉、Si粉和TiC粉為原料，Al為反應(yīng)助劑，按Ti∶TiC∶Si∶Al＝1∶1∶0.9或1∶0.1～0.2的摩爾比配料；(2)將上述配料和瑪瑙球放入球磨罐中，在球磨機(jī)上干混5～10小時(shí)；(3)將上述混合均勻的配料在30～50MPa壓力下壓制成塊；(4)將上述壓塊置于高溫爐中，在氬氣或真空氣氛下，以15～50℃/min的升溫速率將爐溫升至1450～1550℃，保溫時(shí)間為5～15min，制得無(wú)TiC雜質(zhì)相的Ti3SiC2粉體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低成本無(wú)TiC雜質(zhì)相的碳化硅鈦陶瓷粉體的常壓合成方法，以Ti粉、Si粉和TiC粉為原料，Al為反應(yīng)助劑，按Ti∶TiC∶Si∶Al＝1∶1∶(0.9～1)∶(0.1～0.2)的摩爾比配料，干混5～10小時(shí)后，在30～50MPa壓力下壓制成塊，將壓塊置于高溫爐中，氬氣或真空氣氛下，以15～50℃/min的升溫速率將爐溫升至1450～1550℃，保溫時(shí)間為5～15min，制得無(wú)TiC雜質(zhì)相的Ti
文檔編號(hào)C04B35/65GK101066869SQ200710118878
公開日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2007年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月13日
發(fā)明者李世波, 向衛(wèi)華, 陳新華, 翟洪祥, 周洋 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)