專利名稱：一種高純Ti₃AlC₂陶瓷的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種高純Ti3AlC2陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
航空航天、能源動(dòng)力、機(jī)械及軍工等高技術(shù)行業(yè)要求關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)件既具有高比強(qiáng) 度和比剛度、高硬度、高韌性、耐磨，同時(shí)又要耐腐蝕、耐高溫等。因此，大多數(shù)金屬件已難以 滿足實(shí)際應(yīng)用。碳化物、硼化物、氮化物等陶瓷具有高強(qiáng)度、高模量和高硬度，且較金屬耐 磨、耐高溫和抗氧化，加之低的密度和熱膨脹系數(shù)，可替代金屬件用于關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)件。但是， 陶瓷多由離子鍵或共價(jià)鍵構(gòu)成，性脆、難以加工、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性差，其應(yīng)用亦受到了限制。Ti3AlC2具有層狀六方結(jié)構(gòu)，它們的原子結(jié)合方式既有共價(jià)鍵、離子鍵，又有金屬 鍵，因而兼具金屬和陶瓷的性質(zhì)。如，類似金屬的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、抗熱震和可加工性，類似陶瓷 的抗氧化、耐腐蝕和耐高溫；特別是具有非同尋常的耐磨性和自潤(rùn)滑性。因此，在許多領(lǐng)域 具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)外在Ti3AlC2的制備研究方面面臨的主要困難是如何制備 高含量的Ti3AlC2,即如何避免TiC等雜質(zhì)相的生成問(wèn)題。恰當(dāng)?shù)腡i、Al、C元素比和反應(yīng)溫度是制備高純Ti3AlC2的必要條件。Ti Al C 的理論摩爾比應(yīng)該為3 1 2，事實(shí)上嚴(yán)格按照該比例配制時(shí)，往往難以獲得高11#1(2含 量的反應(yīng)產(chǎn)物。高溫Al的揮發(fā)被認(rèn)為是造成TiC雜質(zhì)相生成的重要原因。另外，Ti3AlC2 制備溫度較高(大于1350°C )，體系反應(yīng)溫度區(qū)間窄，亦是影響其純度的一個(gè)重要原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種不僅降低了成本，而且 產(chǎn)物純度較高，主晶相主要為Ti3AlC2的高純Ti3AlC2陶瓷的制備方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1)首先，取TiC粉、Ti粉和Al 粉按TiC粉:Ti 粉Al粉=2.0 :1·0: (1·0_1·5) 的原子配比混合；2)其次，將混合后的粉體置入不銹鋼球磨罐內(nèi)，加入混合粉體質(zhì)量0. 3-2. 0 %的 硬脂酸鈉作為分散劑、30-80%的乙醇作為球磨助劑制成混合料進(jìn)行球磨，研磨介質(zhì)為鋼 球，磨機(jī)轉(zhuǎn)速為800-1200轉(zhuǎn)/分鐘，磨球與混合料的質(zhì)量比為3 1-20 1，球磨2_8小時(shí) 獲得細(xì)化粉體并將其干燥；3)然后，將干燥后的混合料預(yù)壓成餅狀，置入石墨模具內(nèi)，在真空條件下自室溫以 50C /min-20°C /min的升溫速率升溫至1300°C _1500°C，當(dāng)溫度達(dá)到700°C時(shí)開(kāi)始加壓使壓 力達(dá)到10-25MPa，保溫保壓0. 5-3. 0小時(shí)；4)最后，保溫保壓結(jié)束后，隨爐自然冷卻到室溫即得到Ti3AlC2陶瓷。為了避免其它一些雜質(zhì)相的生成，本發(fā)明用TiC替代單質(zhì)Ti粉、C粉，以TiC、Ti、 Al為原料，且在機(jī)械球磨時(shí)加入了球磨助劑和分散劑，提高了研磨效率，增加了體系的反應(yīng) 活性；采用TiC替代Ti粉和C粉，成本降低，TiC亦是形成Ti3AlC2的重要組分，整個(gè)工藝簡(jiǎn)單，操作方便，而且按照本發(fā)明的工藝方法制得的Ti3AlC2陶瓷具有純度高、組織分布理想 等特點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1、圖2是本發(fā)明制備的Ti3AlC2陶瓷的X射線衍射圖譜。圖3、圖4是本發(fā)明制備的Ti3AlC2陶瓷的掃描照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 1)首先，取 TiC 粉、Ti 粉和 Al 粉按 TiC 粉Ti 粉Al 粉=2. 0 1.0 1. 0 的
原子配比混合；2)其次，將混合后的粉體置入不銹鋼球磨罐內(nèi)，加入混合粉體質(zhì)量0.5%的硬脂 酸鈉作為分散劑、50%的乙醇作為球磨助劑制成混合料進(jìn)行球磨，研磨介質(zhì)為鋼球，磨機(jī)轉(zhuǎn) 速為800轉(zhuǎn)/分鐘，磨球與混合料的質(zhì)量比為8 1，球磨4小時(shí)獲得細(xì)化粉體并將其干燥；3)然后，將干燥后的混合料預(yù)壓成餅狀，置入石墨模具內(nèi)，在真空條件下自室溫以 5°C /min的升溫速率升溫至300°C，然后再以10°C /min的升溫速率升溫至1500°C，當(dāng)溫度 達(dá)到700°C時(shí)開(kāi)始加壓使壓力達(dá)到20MPa，保溫保壓2小時(shí)；4)最后，保溫保壓結(jié)束后，隨爐自然冷卻到室溫即得到Ti3AlC2陶瓷。測(cè)試照片見(jiàn)圖1和圖3。圖1為TiC-Ti-Al體系于1500°C、保溫濁后制備的樣品的X射線衍射圖(XRD)。 XRD分析結(jié)果表明，主晶相主要為Ti3AlC2，檢測(cè)不到TiC相的存在。圖3為TiC-Ti-Al體系于1500°C、保溫2h后制備的樣品的斷口掃描照片(SEM)。 SEM分析表明，形成了 Ti3AlC2典型片層組織。實(shí)施例2 1)首先，取 TiC 粉、Ti 粉和 Al 粉按 TiC 粉Ti 粉Al 粉=2. 0 1.0 1. 0 的
原子配比混合；2)其次，將混合后的粉體置入不銹鋼球磨罐內(nèi)，加入混合粉體質(zhì)量0.5%的硬脂 酸鈉作為分散劑、40%的乙醇作為球磨助劑制成混合料進(jìn)行球磨，研磨介質(zhì)為鋼球，磨機(jī)轉(zhuǎn) 速為800轉(zhuǎn)/分鐘，磨球與混合料的質(zhì)量比為8 1，球磨4小時(shí)獲得細(xì)化粉體并將其干燥；3)然后，將干燥后的混合料預(yù)壓成餅狀，置入石墨模具內(nèi)，在真空條件下自室溫以 IO0C /min的升溫速率升溫至300°C，然后再以20°C /min的升溫速率升溫至1450°C，當(dāng)溫度 達(dá)到700°C時(shí)開(kāi)始加壓使壓力達(dá)到20MPa，保溫保壓2小時(shí)；4)最后，保溫保壓結(jié)束后，隨爐自然冷卻到室溫即得到Ti3AlC2陶瓷。測(cè)試照片見(jiàn)圖2和圖4。圖2為TiC-Ti-Al體系于1450°C、保溫濁后制備的樣品的X射線衍射圖(XRD)。 XRD分析結(jié)果表明，主晶相為Ti3AlC2,有微量TiC相存在。圖4為TiC-Ti-Al體系于1450°C、保溫2h后制備的樣品的斷口掃描照片(SEM)。 SEM分析表明，形成了 Ti3AlC2典型片層組織，晶粒較圖3減小，主要是由于TiC的釘扎作用抑制了晶粒的生長(zhǎng)。實(shí)施例3:1)首先，取 TiC 粉、Ti 粉和 Al 粉按 TiC 粉Ti 粉Al 粉=2. 0 1.0 1. 2 的
原子配比混合；2)其次，將混合后的粉體置入不銹鋼球磨罐內(nèi)，加入混合粉體質(zhì)量1. 2%的硬脂 酸鈉作為分散劑、60%的乙醇作為球磨助劑制成混合料進(jìn)行球磨，研磨介質(zhì)為鋼球，磨機(jī)轉(zhuǎn) 速為1000轉(zhuǎn)/分鐘，磨球與混合料的質(zhì)量比為12 1，球磨2小時(shí)獲得細(xì)化粉體并將其干 燥；3)然后，將干燥后的混合料預(yù)壓成餅狀，置入石墨模具內(nèi)，在真空條件下自室溫以 200C /min的升溫速率升溫至1300°C，當(dāng)溫度達(dá)到700°C時(shí)開(kāi)始加壓使壓力達(dá)到lOMPa，保溫 保壓0.5小時(shí)；4)最后，保溫保壓結(jié)束后，隨爐自然冷卻到室溫即得到Ti3AlC2陶瓷。實(shí)施例4 1)首先，取 TiC 粉、Ti 粉和 Al 粉按 TiC 粉Ti 粉Al 粉=2. O 1.0 1. 5 的
原子配比混合；2)其次，將混合后的粉體置入不銹鋼球磨罐內(nèi)，加入混合粉體質(zhì)量1. 5%的硬脂 酸鈉作為分散劑、30%的乙醇作為球磨助劑制成混合料進(jìn)行球磨，研磨介質(zhì)為鋼球，磨機(jī)轉(zhuǎn) 速為1200轉(zhuǎn)/分鐘，磨球與混合料的質(zhì)量比為15 1，球磨5小時(shí)獲得細(xì)化粉體并將其干 燥；3)然后，將干燥后的混合料預(yù)壓成餅狀，置入石墨模具內(nèi)，在真空條件下自室溫以 15°C /min的升溫速率升溫至1350°C，當(dāng)溫度達(dá)到700°C時(shí)開(kāi)始加壓使壓力達(dá)到25MPa，保溫 保壓3小時(shí)；4)最后，保溫保壓結(jié)束后，隨爐自然冷卻到室溫即得到Ti3AlC2陶瓷。實(shí)施例5:1)首先，取 TiC 粉、Ti 粉和 Al 粉按 TiC 粉Ti 粉Al 粉=2. O 1.0 1. 3 的
原子配比混合；2)其次，將混合后的粉體置入不銹鋼球磨罐內(nèi)，加入混合粉體質(zhì)量0.3%的硬脂 酸鈉作為分散劑、80%的乙醇作為球磨助劑制成混合料進(jìn)行球磨，研磨介質(zhì)為鋼球，磨機(jī)轉(zhuǎn) 速為1100轉(zhuǎn)/分鐘，磨球與混合料的質(zhì)量比為20 1，球磨8小時(shí)獲得細(xì)化粉體并將其干 燥；3)然后，將干燥后的混合料預(yù)壓成餅狀，置入石墨模具內(nèi)，在真空條件下自室溫以 80C /min的升溫速率升溫至1400°C，當(dāng)溫度達(dá)到700°C時(shí)開(kāi)始加壓使壓力達(dá)到15MPa，保溫 保壓1小時(shí)；4)最后，保溫保壓結(jié)束后，隨爐自然冷卻到室溫即得到Ti3AlC2陶瓷。實(shí)施例6 1)首先，取 TiC 粉、Ti 粉和 Al 粉按 TiC 粉Ti 粉Al 粉=2. O 1.0 1. 4 的
原子配比混合；2)其次，將混合后的粉體置入不銹鋼球磨罐內(nèi)，加入混合粉體質(zhì)量2. 0%的硬脂 酸鈉作為分散劑、70%的乙醇作為球磨助劑制成混合料進(jìn)行球磨，研磨介質(zhì)為鋼球，磨機(jī)轉(zhuǎn)速為900轉(zhuǎn)/分鐘，磨球與混合料的質(zhì)量比為3 1，球磨6小時(shí)獲得細(xì)化粉體并將其干燥；3)然后，將干燥后的混合料預(yù)壓成餅狀，置入石墨模具內(nèi)，在真空條件下自室溫以 13°C /min的升溫速率升溫至1480°C，當(dāng)溫度達(dá)到700°C時(shí)開(kāi)始加壓使壓力達(dá)到20MPa，保溫 保壓2. 5小時(shí)；4)最后，保溫保壓結(jié)束后，隨爐自然冷卻到室溫即得到Ti3AlC2陶瓷。
權(quán)利要求
1. 一種高純Ti3Aic2陶瓷的制備方法，其特征在于1)首先，取TiC 粉、Ti 粉和 Al 粉按 TiC 粉Ti 粉Al 粉=2.0 :1.0: (1.0-1.5) 的原子配比混合；2)其次，將混合后的粉體置入不銹鋼球磨罐內(nèi)，加入混合粉體質(zhì)量0.3-2. 0 %的硬脂 酸鈉作為分散劑、30-80%的乙醇作為球磨助劑制成混合料進(jìn)行球磨，研磨介質(zhì)為鋼球，球 磨機(jī)轉(zhuǎn)速為800-1200轉(zhuǎn)/分鐘，磨球與混合料的質(zhì)量比為3 1-20 1，球磨2_8小時(shí)獲 得細(xì)化粉體并將其干燥；3)然后，將干燥后的混合料預(yù)壓成餅狀，置入石墨模具內(nèi)，在真空條件下自室溫以 50C /min-20°C /min的升溫速率升溫至1300°C _1500°C，當(dāng)溫度達(dá)到700°C時(shí)開(kāi)始加壓使壓 力達(dá)到10-25MPa，保溫保壓0. 5-3. 0小時(shí)；4)最后，保溫保壓結(jié)束后，隨爐自然冷卻到室溫即得到Ti3AlC2陶瓷。
全文摘要
一種高純Ti3AlC2陶瓷的制備方法，以TiC粉、Ti粉和Al粉為原料，以硬脂酸鈉為分散劑、乙醇為球磨助劑進(jìn)行濕磨，室溫干燥，過(guò)篩后預(yù)壓成餅狀，放入石墨模具中以5℃/min-20℃/min的升溫速率升至1300℃-1500℃，保溫0.5-3.0小時(shí)，熱壓壓力為10-25MPa，隨爐冷卻至室溫即可。本發(fā)明由于工藝簡(jiǎn)單，通過(guò)加入球磨助劑和分散劑能顯著提高球磨混合效率，增加反應(yīng)活性，制備的產(chǎn)物晶粒尺寸均勻；用TiC替代單質(zhì)Ti粉和C粉，不僅成本降低，而且產(chǎn)物純度較高，主晶相主要為Ti3AlC2。
文檔編號(hào)C04B35/56GK102060535SQ20101013841
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月2日
發(fā)明者馮小明, 艾桃桃, 趙卓玲 申請(qǐng)人:陜西理工學(xué)院