專利名稱：一種制備高性能Ti₃AlC₂陶瓷粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型結(jié)構(gòu)陶瓷材料的制備方法，即制備高性能ThAlC2陶 瓷粉體的方法。又稱自蔓延高溫合成Ti3AlC2陶瓷粉體的方法。
背景技術(shù)：
Ti3AlC2是一類綜合了金屬與陶瓷優(yōu)異性能的可加工陶瓷材料。如，像金 屬，它是優(yōu)良的熱導(dǎo)體和電導(dǎo)體，有較低的Vickers硬度和較高的彈性模量和 剪切模量，像金屬和石墨一樣可以進(jìn)行機(jī)械加工，相對(duì)較軟，抗熱震性好，在 較高溫度下具有一定的可塑性；像陶瓷，具有高熔點(diǎn)，高模量，低比重，高溫 強(qiáng)度和良好的抗氧化性。此外，它們有甚至優(yōu)于石墨和MoS2的自潤(rùn)滑性能， 特別是其電、磁、力學(xué)性能隨溫度、取向的改變發(fā)生"反常"變化。這些特性 是現(xiàn)有己知材料中極為罕見(jiàn)的。Ti3AlC2陶瓷粉體可以制備性能優(yōu)異Ti3AlC2 塊體陶瓷材料外，還可以作為添加劑來(lái)合成新型的高溫自潤(rùn)滑陶瓷材料。
盡管Ti3AlC2是具有許多顯著優(yōu)點(diǎn)的新型材料，但合成純的Ti3AlC2材料
較為困難。目前制備Ti3AlC2塊體材料采用熱等靜壓、熱壓、放電等離子燒結(jié)
等工藝進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)制備。但合成條件較為苛刻，制備溫度高、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、
難以制備大尺寸的材料，以熱壓、熱等靜壓、放電等離子燒結(jié)等方法制備
Ti3AlC2塊體材料，再磨成粉，成本增高，工藝流程復(fù)雜，極大地限制了該材
料的推廣和應(yīng)用，很難形成工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化，再者，經(jīng)反復(fù)較長(zhǎng)時(shí)間的加熱，
材料的組織粗化，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。此外，由于熱壓燒結(jié)過(guò)程中金屬組分
比較容易熔融偏析，并蒸發(fā)損失，組分控制相對(duì)比較困難。尚需研發(fā)新的生產(chǎn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述缺點(diǎn)，提供一種高性能Ti3AlC2粉體的制備工
3藝，使之工序少、成本低、產(chǎn)品組分控制均勻。
本發(fā)明提出的這種高性能Ti3AlC2陶瓷粉體的制備方法，其特征在于包含 如下的工藝步驟
(1) 以Ti3AlC2化學(xué)式計(jì)量的摩爾比Ti:Al:C二3:l:2配備Ti粉、Al粉和C 粉，在保持摩爾比不變條件下，用外加法加入添加劑NaF來(lái)控制Ti3AlC2的純 度，NaF加入量為Ti、 Al和C粉原料總質(zhì)量的0.5-20wt.。/。；
(2) 將稱取的原料和添加劑粉末放入球磨罐，加入適量無(wú)水乙醇濕混4-12 小時(shí)，自然晾干或60-8(TC烘干得混合均勻的原料粉末；
(3) 將混合均勻的原料粉末放入筒瓦形料舟中后，置于燃燒合成設(shè)備中， 在原料粉末前方的引燃部位放置適量鈦碳混合物(Ti:C=l:l (摩爾比))為引 燃劑，在氬氣保護(hù)下以通電鎢絲圈點(diǎn)燃反應(yīng)物，自然冷卻，所得產(chǎn)物即為 Ti3AlC2粉體。
第(1)步中Ti粉、Al粉和C粉用高純度的原料，NaF用化學(xué)純或分析 純?cè)噭?br> 第(1)步中尚可采用內(nèi)加法加入添加劑TiC，加入量為物料質(zhì)量的 5-30wt.%。
第(1)步中，摩爾比Ti:Al:C:3:l:2的允差范圍為Ti:Al:O3:l-1.3:1.8-2.0
用Ti、 Al和C粉燃燒合成Ti3AlC2粉體時(shí)，在燃燒波前沿首先Ti和C生 成TiC (生成TiC放出的熱量為維持燃燒反應(yīng)的主要能量之一)，Ti和Al生成 金屬間化合物Ti-Al，然后TiC溶于熔融的Ti-Al中，最后從熔融體中析出 Ti3AlC2，反應(yīng)過(guò)程如下
Ti+Al — Ti畫Almelt and Ti + C — TiC TiC + Ti-Al melt — Ti3AlC2 添加劑NaF的熔點(diǎn)是993。C，在燃燒反應(yīng)中的作用是助熔劑，既可以降低 體系中的熔化溫度，也可使熔融物的量增多，讓TiC更好的溶于熔融的Ti-Al中，以使Ti3AlC2充分發(fā)育，從熔融體中析出Ti3AlC2。此外，NaF也是燃燒反
應(yīng)體系的稀釋劑，可降低體系溫度，減少Ti3AlC2在高溫下的分解率。另一方
面，NaF的沸點(diǎn)1695t:相對(duì)較低，在燃燒反應(yīng)過(guò)程最后以蒸汽的形式揮發(fā)掉。
本發(fā)明的特點(diǎn)是反應(yīng)迅速、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，直接采用低烙點(diǎn)的物質(zhì)
作為反應(yīng)物原料，不會(huì)造成其融化團(tuán)聚，反應(yīng)過(guò)程均勻，容易控制，合成的
Ti3AlCV性質(zhì)均勻穩(wěn)定。


圖1是Ti3AlC2粉體的X射線衍射譜圖。
圖2是Ti3AlC2粉體經(jīng)熱壓法生產(chǎn)的Ti3AlC2塊體X射線衍射譜圖。 圖1和圖2中，橫坐標(biāo)為XRD測(cè)試2e角，縱坐標(biāo)為衍射峰強(qiáng)度。
具體實(shí)施例方式
接下來(lái)用實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的積極效果。
以Ti:Al:C按摩爾比3:1:2稱取純度大于99.7wt.Q/。Ti粉22.1418g、 99.6wt.y。Al粉4.1602g、 99.5wt.。/o碳黑3.6980g，添加劑NaF按Ti、 Al和C總 質(zhì)量(30g)的10wt.。/。加入3.0000g。以無(wú)水乙醇為介質(zhì)在行星式球磨機(jī)上球 磨8h， 7(TC或自然晾干干燥后，在氬氣保護(hù)下以通電鉤絲圈點(diǎn)燃反應(yīng)物，自 然冷卻，所得產(chǎn)物即為Ti3AlC2粉體。
本例所得產(chǎn)物的X射線衍射分析檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1，在衍射角20為9.5°有 Ti3AlC2的特征峰，提示合成的是Ti3AlC2物質(zhì)。
本例中，當(dāng)添加劑NaF按Ti、 Al和C總質(zhì)量(30g)的0.5wt.。/。和20wt.% 分別加入時(shí)，所得結(jié)果大致相同。
實(shí)施例2
在保持Ti:Al:C摩爾比3:1:2不變的條件下，稱取純度大于99.7wt.%Ti粉 17.3438g、 99.6wt.%A1粉4.1602g、 99.5wt.。/。碳黑2.4960g、按體系總質(zhì)量(30g)的20wt。/。添加燃燒合成自制的TiC 6.0000g， NaF添加劑按Ti、 Al、 C和TiC 總質(zhì)量(30g)的3wt.。/。加入，為0.9000g。以無(wú)水乙醇為介質(zhì)在行星式球磨機(jī) 上球磨8h， 7(TC或自然晾干干燥后，在氬氣保護(hù)下以通電鉤絲圈點(diǎn)燃反應(yīng)物， 自然冷卻，所得產(chǎn)物即為Ti3AlC2粉體。
將Ti3AlC2粉體裝入cb50mm的石墨模具中，在1400°C， 25Mpa熱壓燒結(jié)， 氬氣為保護(hù)氣氛。升溫過(guò)程為30min升溫至1200°C，半小時(shí)后升溫至1400 °C，并在140(TC保溫2h后，斷電自然降溫，得Ti3AlC2塊體材料，其X射線 衍射分析結(jié)果見(jiàn)圖2。本例Ti3AlC2塊體的部分物理性質(zhì)如下
性質(zhì)理論文獻(xiàn)值'本實(shí)驗(yàn)值
密度/g'cm—34.2474.24.2
相對(duì)密度/%98.998.9
硬度(Vickers)/GPa—3.53.7
抗彎強(qiáng)度/MPa_375±15545±25
注*澤諾夫，巴索姆.Ti3AlC2的合成和性質(zhì)[J].美國(guó)陶瓷會(huì)志,2000,83(4):825-832 [ TzenovNV and
Barsoum MW. Synthesis and Characterization of Ti3AlC2[J]. Joz/r""/ o/ Z/ze j服n.caw Ceraw/c Socz'砂, 2000,83(4): 825-832 ]
該結(jié)果與澤諾夫等用Ti、 C和AUC3為原料，在140(TC和70MPa下熱等 靜壓燒結(jié)16h得到的結(jié)果一致，但測(cè)得的維氏硬度比澤諾夫的結(jié)果稍大，為 3.7GPa，抗彎強(qiáng)度約大1.5倍，為545士25MPa。說(shuō)明113八1(32燃燒合成粉體具 有更高的燒結(jié)活性。
本例的熱壓樣品一一Ti3AlC2塊體的X射線衍射分析結(jié)果見(jiàn)圖2，從圖中可 看出，該樣品為單相Ti3AlC2。
本例中，添加燃燒合成自制的TiC的加入量分別改為體系總質(zhì)量(30g) 的5wtQ/。和30wt.%，其余條件不變時(shí)，所得產(chǎn)品性能大致相同。
實(shí)施例3
按Ti: A1:C摩爾比3:1.2:2稱取純度大于99.7wt.%Ti粉21.5442g、 99.6wt.%A1 粉4.8576g和99.5wt.。/。碳黑3.5982g， NaF添加劑按Ti、 Al和C總質(zhì)量(30g) 的5wt.。/。加入1.5000g。以無(wú)水乙醇為介質(zhì)在行星式球磨機(jī)上球磨8h， 7(TC或自然晾干干燥后，在氬氣保護(hù)下以通電鎢絲圈點(diǎn)燃反應(yīng)物，自然冷卻，所得產(chǎn)
物即為Ti3AlC2粉體。
本例的Ti:Al:C摩爾比分別改為3:1:1.8、 3:1.3:1.8禾B 3丄3:2.0，其余條件 不變時(shí)，所得產(chǎn)物基本相同。
權(quán)利要求
1、一種高性能Ti3AlC2陶瓷粉體的制備方法，其特征在于包含如下的步驟(1)以Ti3AlC2化學(xué)式計(jì)量的摩爾比Ti∶Al∶C＝3∶1∶2配備Ti粉、Al粉和C粉，在保持摩爾比不變條件下，用外加法加入添加劑NaF來(lái)控制Ti3AlC2的純度，NaF加入量為Ti、Al和C粉原料總質(zhì)量的0.5-20wt.％；(2)將稱取的原料和添加劑粉末放入球磨罐，加入適量無(wú)水乙醇濕混4-12小時(shí)，自然晾干或60-80℃烘干得混合均勻的原料粉末；(3)將混合均勻的原料粉末放入筒瓦形料舟中后，置于燃燒合成設(shè)備中，在原料粉末前方的引燃部位放置適量鈦碳混合物為引燃劑，在氬氣保護(hù)下以通電鎢絲圈點(diǎn)燃反應(yīng)物，自然冷卻，所得產(chǎn)物即為Ti3AlC2粉體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高性能Ti3AlC2陶瓷粉體的制備方法，其特征在 于第(1)步中Ti粉、A1粉和C粉用高純度的原料，NaF用化學(xué)純或分析純 試劑。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能Ti3AlQ陶瓷粉體的制備方法，其特征在 于第(1 )歩中尚可采用內(nèi)加法加入添加劑TiC，加入量為物料質(zhì)量的5-30wt.%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高性能Ti3AlC2陶瓷粉體的制備方法，其特征在 于第(1)步中摩爾比Ti:Al:C二3:l:2的允差范圍為Ti:Al:C=3:l-1.3:1.8-2.0。
全文摘要
本發(fā)明是一種高性能Ti₃AlC₂陶瓷粉體的制備方法，步驟是以Ti₃AlC₂化學(xué)式摩爾比Ti∶Al∶C＝3∶1∶2配備Ti粉、Al粉和C粉，用外加法加入添加劑NaF來(lái)控制Ti₃AlC₂的純度，NaF加入量為Ti、Al和C粉原料總質(zhì)量的0.5-20wt.％；將原料和添加劑粉末放入球磨罐，加入無(wú)水乙醇濕混4-12小時(shí)，自然晾干或60-80℃烘干得原料粉末；將原料粉末放入筒瓦形料舟中置于燃燒合成設(shè)備，在原料粉末前方的引燃部位放置鈦碳混合物作為引燃劑，在氬氣保護(hù)下以通電鎢絲圈點(diǎn)燃反應(yīng)物，自然冷卻，所得產(chǎn)物即為Ti₃AlC₂粉體。本發(fā)明的特點(diǎn)是反應(yīng)迅速、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，直接采用低熔點(diǎn)的物質(zhì)作為反應(yīng)物原料，不會(huì)造成其融化團(tuán)聚，反應(yīng)過(guò)程均勻，容易控制，合成的Ti₃AlC₂性質(zhì)均勻穩(wěn)定。
文檔編號(hào)C04B35/626GK101531530SQ20091009433
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者劉貴陽(yáng), 虹 張, 王寶森, 郭俊明, 陳克新 申請(qǐng)人:紅河學(xué)院;清華大學(xué)