專利名稱：原位置換反應(yīng)熱壓制備SiC/Ti₃SiC₂材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷基復(fù)合材料的制備方法，特別是通過原位置換反應(yīng)熱 壓制備碳化硅SiC增強(qiáng)碳化硅鈦Ti3SiC2陶瓷基復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
碳化硅鈦Ti3SiC2以其高電導(dǎo)率、抗氧化、耐熱沖擊、耐腐蝕、自潤滑、易加工等優(yōu)良性能，成為軸承、觸頭、耐蝕件、高溫發(fā)熱件和結(jié)構(gòu)件、高速帶電 摩擦關(guān)鍵部件的優(yōu)選材料。為進(jìn)一步提高Ti3SiC2高溫力學(xué)性能、抗氧化及抗熱震性能，常用SiC來補(bǔ) 強(qiáng)增韌Ti3SiC2材料，因?yàn)镾iC具有優(yōu)良的抗氧化性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高 強(qiáng)度、抗熱震性、耐磨、耐蝕等特點(diǎn)。尤其是SiC與Ti3SiC2在高溫下熱力學(xué)穩(wěn) 定，得到的SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料性能明顯高于單相Ti3SiC2材料。如文獻(xiàn)1 (J. Mater. Sci.30(1995):3087.)報(bào)道，利用預(yù)先合成的Ti3SiC2粉末同SiC粉末按一 定比例混料后，在1600 。C高溫，45MPa壓力下合成SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料。復(fù) 合材料顯示出較高的彎曲強(qiáng)度和較低的氧化速率。但其合成工藝比較麻煩，而 且預(yù)合成的Ti3SiC2粉末中含有TiC雜質(zhì)相，TiC的存在影響材料的高溫抗氧化 性。此外上述制備工藝難以保證SiC第二相顆粒在Ti3SiC2基體中分布均勻，影 響材料的性能。原位反應(yīng)合成法是一種通過反應(yīng)自生形成第二相顆粒增強(qiáng)基體材料的方法。 這種方法在制備復(fù)合材料方面已取得了顯著效果，獲得的復(fù)合材料性能優(yōu)良。 原位反應(yīng)合成法具有下列優(yōu)點(diǎn)1)工藝簡單，省略了粉體的預(yù)合成，直接在基 體內(nèi)原位生成分布均勻的第二相顆粒，避免了粉料混合不均造成的問題；2)原 位形成的第二相顆粒表面干凈，與基體結(jié)合強(qiáng)度高，制備的材料性能優(yōu)異；3) 原位形成的第二相顆粒對(duì)基體粒子的長大具有抑止作用，可獲得細(xì)化均勻的微 觀結(jié)構(gòu)；4)采用原位反應(yīng)法能實(shí)現(xiàn)凈尺寸成型。文獻(xiàn)2 (J. Eur. Ceram. Soc. 27(2007)2069)和文獻(xiàn)3 (Script. Mater. 56 (2007) 241)報(bào)道，利用Ti粉，Si粉和C粉，通過原位反應(yīng)制備了 SiC/Ti3SiC2復(fù)合材 料。但上述配料中由于Ti和C的存在，兩者的反應(yīng)屬于劇烈放熱反應(yīng)，導(dǎo)致系 統(tǒng)溫度急劇波動(dòng)，燒結(jié)工藝參數(shù)不易控制。系統(tǒng)中劇烈的放熱容易使塊體材料 開裂，無法制備大尺寸SiC/Ti3SiC2塊體材料。上述配料中大量使用了Ti粉，直 接導(dǎo)致合成的SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料成本過高。因?yàn)槟壳氨环Q為'航空金屬'的 Ti粉，隨著航空航天業(yè)的發(fā)展，其價(jià)格較高。若能用價(jià)格低廉的Ti的化合物來取代價(jià)格較高的Ti粉合成SiC/Ti3SiC2復(fù)合 材料，不僅有利于進(jìn)一步降低材料成本，而且可以節(jié)約寶貴的Ti資源。文獻(xiàn)4 (Mater lett， 2003, 57(20): 3048.)和文獻(xiàn)5(Mater. Sci. Eng. A. 2004, 381(1-2): 51.) 報(bào)道，利用TiC與Si之間的原位置換反應(yīng)制備了 SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料。上述配 料使用的TiC和Si粉價(jià)格低廉，合成的復(fù)合材料成本較低。但是合成的材料中 仍存在TiC雜質(zhì)相，無論是改變配料比例，還是改變燒結(jié)工藝參數(shù)，都難以去 掉TiC。 TiC的存在對(duì)SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料的抗氧化等性能影響較大。因此，在 降低SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料的制備成本基礎(chǔ)上，進(jìn)一步突破關(guān)鍵制備工藝和參數(shù)， 消除雜質(zhì)相，獲得性能優(yōu)良的SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料，在工程應(yīng)用領(lǐng)域具有重要 的應(yīng)用價(jià)值。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是利用廉價(jià)原料Si粉和TiC粉，添加適量的Al粉為反應(yīng)助劑， 通過Si和TiC的置換反應(yīng)原位形成SiC增強(qiáng)Ti3SiC2復(fù)合材料。此發(fā)明制備的復(fù) 合材料不僅降低了材料的成本，而且添加適量的Al有效解決了復(fù)合材料中存在 TiC雜質(zhì)相的問題。Si和TiC的置換反應(yīng)過程無熱爆現(xiàn)象發(fā)生，有利于制備大尺 寸SiC/Ti3SiC2塊體材料，便于后期直接加工成各種構(gòu)件。本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種原位置換反應(yīng)熱壓制備SiC/Ti3SiC2材料的方法含有以下步驟；(1) 以Si粉和TiC粉為原料，Al為反應(yīng)助劑，按Si:TiC:Al二2: 3: (0.2~1)的 摩爾比配料；(2) 將上述配料和瑪瑙球放入球磨罐中，置于球磨機(jī)上干混10小時(shí)；(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(hù)氣氛下，以20 5(TC/min的升溫速率將爐溫升至1350 155CTC，同時(shí)對(duì) 模具中的粉料施加20 40 MPa的壓力，保溫1 4小時(shí)，得到SiC/Ti3SiC2 ±央體 復(fù)合材料。本發(fā)明的有益效果是第一，本發(fā)明按照Si:TiC:Al二2:3:(0.2 l)的摩爾比配料，通過原位置換反應(yīng) 熱壓制備SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料，配料中各種粉料價(jià)格低廉，合成復(fù)合材料的成 本低。第二，本發(fā)明采用的配料，反應(yīng)過程中無熱爆現(xiàn)象出現(xiàn)，系統(tǒng)溫度參數(shù)穩(wěn) 定易于控制，能制備出大尺寸塊體材料，便于后期直接加工成各種構(gòu)件。第三，本發(fā)明采用的制備方法，省略了 Ti3SiC2粉體的預(yù)合成，通過原位反 應(yīng)直接形成SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料。形成的SiC顆粒細(xì)小，在基體內(nèi)分布均勻。第四，本發(fā)明制備的SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料，無TiC雜質(zhì)相存在，微觀結(jié)構(gòu) 細(xì)化均勻，具有更好的高溫抗氧化性能。第五，本發(fā)明采用Al作為反應(yīng)助劑，由于Al的熔點(diǎn)低(660 °C)，溫度達(dá) 到A1的熔點(diǎn)后，系統(tǒng)中出現(xiàn)液相，便于配料中各組分重排，趨于均勻化，有利 于反應(yīng)進(jìn)行。反應(yīng)過程中，在液態(tài)A1的環(huán)境中，有效抑制了TiC形成。反應(yīng)完 成后，大部分A1以氣態(tài)形式揮發(fā)掉，少量的Al原子進(jìn)入Ti3SiC2晶格內(nèi)形成固 溶體，不會(huì)以雜質(zhì)相存在于產(chǎn)物中，因此對(duì)SiC/Ti3SiC2材料的純度和特性沒有 實(shí)質(zhì)性影響。


圖1是本發(fā)明制備SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料的X-射線衍射(XRD)圖譜。圖2是本發(fā)明制備SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料斷口的背散射照片。 圖3是比較例所制備的含有TiC的SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料的X-射線衍射 (XRD)圖譜。圖4是本發(fā)明制備的SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料在1200 °C的氧化曲線 圖5是比較例所制備的含有TiC的SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料在1200 QC的氧化 曲線。
具體實(shí)施方式
一種原位置換反應(yīng)熱壓制備SiC/Ti3SiC2材料的方法 實(shí)施例一1) 按Si:TiC:Al=2:3:0.2的摩爾比配料，稱取Si粉11.65克、TiC粉37.23克，Al粉1.12克；2) 將上述配料和瑪瑙球放入球磨罐中，置于球磨機(jī)上混料10小時(shí)；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，在氬氣 保護(hù)氣氛下，以30。C/分鐘的升溫速率將爐溫升至135(TC，同時(shí)對(duì)模具中的粉 料施加40 MPa的壓力，保溫2小時(shí)。即制得SiC/Ti3SiC2塊體復(fù)合材料，其中 SiC含量為10% (重量比)，Ti3SiC2含量為90X。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為^500 MPa，斷裂韌性^6 MPa.m1/2。材料的XRD圖譜如圖1所示。由圖可見，只有 SiC和Ti3SiC2兩相的衍射峰出現(xiàn)，無TiC雜質(zhì)相。SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料斷口的 微觀組織形貌見圖2，其中尺寸小于l)im的黑色小顆粒為SiC， Ti3SiC2顆粒尺 寸小于6^im。 SiC顆粒均勻分散于Ti3SiC2基體內(nèi)。實(shí)施例二1) 按Si:TiC:Al二2:3:0.2的摩爾比配料，稱取Si粉11.65克、TiC粉37.23 克，Al粉1.12克；2) 將上述配料和瑪瑙球放入球磨罐中，置于球磨機(jī)上混料10小時(shí)；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，在氬氣保護(hù)氣氛下，以30°(:/分鐘的升溫速率將爐溫升至1450°<:，同時(shí)對(duì)模具中的粉 料施加40 MPa的壓力，保溫4小時(shí)。即制得SiC/Ti3SiC2塊體復(fù)合材料，其中 SiC含量為10% (重量比)，Ti3SiC2含量為90%。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為^500 MPa，斷裂韌性^6MPa，m1 其XRD結(jié)果和微觀組織與實(shí)施例一相同。實(shí)施例三1) 按Si:TiC:Al二2: 3: 0.4的摩爾比配料，稱取Si粉11.39克，TiC粉36.41 克，Al粉2.2克；2) 將上述配料和瑪瑙球放入球磨罐中，置于球磨機(jī)上混料10小時(shí)；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，在氬氣 保護(hù)氣氛下，以40。C/分鐘的升溫速率將爐溫升至1500。C，同時(shí)對(duì)模具中的粉 料施加30 MPa的壓力，保溫1小時(shí)。即制得SiC/Ti3SiC2塊體復(fù)合材料，其中 SiC含量為10% (重量比)，Ti3SiC2含量為90。丄復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為^500 MPa，斷裂韌性》6MPa.m"2。其XRD結(jié)果和微觀組織與實(shí)施例一相同。實(shí)施例四1) 按Si:TiC:Al=2: 3: 1的摩爾比配料，稱取Si粉10.69克、TiC粉34.19 克，Al粉5.12克；2) 將上述配料和瑪瑙球放入球磨罐中，置于球磨機(jī)上混料10小時(shí)；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，在氬氣 保護(hù)氣氛下，以20。C/分鐘的升溫速率將爐溫升至155(TC，同時(shí)對(duì)模具中的粉 料施加20 MPa的壓力，保溫2小時(shí)。即制得SiC/Ti3SiC2塊體復(fù)合材料，其中 SiC含量為10X (重量比)，Ti3SiC2含量為90X。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為^500 MPa，斷裂韌性^6MPa.m"2。其XRD結(jié)果和微觀組織與實(shí)施例一相同。比較例1) 按Si:TiC二2:3的摩爾比配料，稱取Si粉11.91克，TiC粉38.09克；2) 將上述配料和瑪瑙球放入球磨罐中，置于球磨機(jī)上混料10小時(shí)；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，在氬氣保護(hù)氣氛下，以3(TC/分鐘的升溫速率將爐溫升至150(TC，同時(shí)對(duì)模具中的粉 料施加30 MPa的壓力，保溫1小時(shí)。制得含有TiC的SiC/Ti3SiC2塊體復(fù)合材料。 其XRD結(jié)果見圖3。圖譜中不僅有SiC和Ti3SiC2兩相的衍射峰，而且還有TiC 相的衍射峰出現(xiàn)。按本發(fā)明實(shí)施例制備的SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料與比較例制備的SiC/Ti3SiC2復(fù) 合材料(含有TiC)在1200。C氧化20 h的氧化曲線分別見圖4和圖5。由圖可見， 按本發(fā)明實(shí)施例制備的SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料在1200 °C氧化20 h后的增重量為 9.33xl(T3mg/cm2;而含有TiC的SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料在1200 °C氧化20 h后的 增重量高達(dá)3.04 mg/cm2。主要是TiC雜質(zhì)相的存在，降低了復(fù)合材料的高溫抗 氧化性能。因此本發(fā)明制備的SiC/Ti3SiC2復(fù)合材料具有更優(yōu)良的高溫抗氧化性
權(quán)利要求
1. 一種原位置換反應(yīng)熱壓制備SiC/Ti3SiC2材料的方法，其特征在于含有以下步驟(1)以Si粉和TiC粉為原料，Al為反應(yīng)助劑，按Si∶TiC∶Al＝2∶3∶(0.2～1)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10小時(shí)；(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(hù)氣氛下，以20～50℃/分鐘的升溫速率將爐溫升至1350～1550℃，同時(shí)對(duì)模具中的粉料施加20～40MPa的壓力，保溫1～4小時(shí)，得到SiC/Ti3SiC2塊體復(fù)合材料。
全文摘要
一種原位置換反應(yīng)合成SiC/Ti₃SiC₂復(fù)合材料及其熱壓制備方法，以Si粉和TiC粉為原料，Al為反應(yīng)助劑，按Si∶TiC∶Al＝2∶3∶(0.2～1)的摩爾比配料，干混10小時(shí)后，將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(hù)氣氛下，以20～50℃/分鐘的升溫速率將爐溫升至1350～1550℃，同時(shí)對(duì)模具中的粉料施加20～40MPa的壓力，保溫1～4小時(shí)，得到SiC/Ti₃SiC₂塊體復(fù)合材料。該方法具有合成SiC/Ti₃SiC₂復(fù)合材料成本低，不含TiC雜質(zhì)相，形成的SiC顆粒細(xì)小，在基體內(nèi)分布均勻。所用設(shè)備簡單，工藝參數(shù)穩(wěn)定，適用于規(guī)?；a(chǎn)。
文檔編號(hào)C04B35/56GK101269966SQ20081010537
公開日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2008年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月29日
發(fā)明者向衛(wèi)華, 洋 周, 李世波, 翟洪祥 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)