專利名稱：一種高純Ti₃AlC₂塊體材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法。
背景技術(shù)：
航空、航天、原子能和先進(jìn)能源等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，對材料提出了越來越苛刻的強(qiáng)度和高溫特性要求，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)的材料，如陶瓷材料、金屬材料及高分子材料等均不能很好地滿足要求。雖然傳統(tǒng)的陶瓷材料具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)點，但其缺點也十分顯著，如脆性大、韌性低、重復(fù)使用的可靠性較低、難以加工等。近年來，研究者越來越關(guān)注具有三元層狀結(jié)構(gòu)的化合物，這些化合物因兼具金屬和陶瓷的雙重特性，被認(rèn)為是理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。作為Mn+1AXn系中的典型代表，Ti3AlC2材料在常溫下具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、較低的硬度、較高的彈性模量和剪切模量、具有良好的可加工性；而在高溫下具有塑性和像陶瓷一樣的高熔點、高熱穩(wěn)定、抗氧化性能和優(yōu)于石墨和MoS2的自潤滑性能。由此可見，Ti3AlCJt為新型的結(jié)構(gòu)與功能一體化材料將在未來擁有比較廣泛 的應(yīng)用前景，如可作為軸承材料、高溫結(jié)構(gòu)材料、電接觸材料以及取代可加工陶瓷等。針對高純度Ti3AlC2塊體材料的制備這一關(guān)鍵問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者展開了大量的研究工作。迄今為止，主流的制備思路是以單質(zhì)的鈦、鋁和碳的粉末為原料，通過反應(yīng)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)(HP)、熱等靜壓燒結(jié)(HIP)、放電等離子燒結(jié)(SPS)、自蔓延高溫合成(SHS)或機(jī)械合金化等方法制備出塊體或粉體的Ti3AlC2材料，然而，上述方法制備出的Ti3AlC2的純度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法，以解決現(xiàn)有方法制備Ti3AlC2塊體材料純度不高的問題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法，以鈦、鋁、碳三種單質(zhì)粉末為原料，先將鈦和鋁粉通過高能球磨和退火處理制備高純Ti3Al金屬間化合物粉末，隨后與碳粉均勻混合后通過反應(yīng)燒結(jié)的方式制備高純的Ti3AlC2塊體材料。本發(fā)明的特點還在于，制備方法具體按照以下步驟實施步驟I，機(jī)械合金化鈦、鋁混合粉末根據(jù)Ti3Al的化學(xué)計量比確定鈦、鋁的摩爾比，并根據(jù)公式(I)計算出二者的質(zhì)量比，再按需要制備的Ti3AlC2材料的總質(zhì)量，計算出所需的鈦粉和鋁粉的質(zhì)量；
m, mo I, M1,,、— = ^-1X~L(I)
m2 mo 12 M1
m,mol,Μ,式中，i為質(zhì)量比，一為摩爾比，i為相對原子量之比；
/// mo I2/V/，按照球料質(zhì)量比為10:1的比例，將稱取好的鈦粉、鋁粉和鎢球同時放入行星式球磨機(jī)的球磨罐中，進(jìn)行機(jī)械合金化處理后得到混合均勻的Ti3Al粉末；
步驟2，退火處理將步驟I得到的混合均勻的Ti3Al粉末裝入石英坩堝中，放入真空熱處理爐中，對Ti3Al粉末進(jìn)行退火處理；步驟3，制備Ti3Al和碳粉混合粉末根據(jù)Ti3AlC2的化學(xué)計量比確定Ti3Al、碳的摩爾比，根據(jù)公式(I)計算出二者的質(zhì)量比，再按需要制備的Ti3AlC2材料的總質(zhì)量，計算出所需碳粉的質(zhì)量；按照球料質(zhì)量比為3:1的比例，稱取好碳粉、不銹鋼球，并將其與步驟2中經(jīng)退火處理的Ti3Al粉末一同放入行星式球磨機(jī)的球磨罐中，進(jìn)行混粉后得到混合均勻的Ti3Al和碳粉粉末；步驟4，壓制成型 將步驟3中制得的混合均勻的Ti3Al和碳粉粉末裝入鋼模中，經(jīng)過壓制后制得Ti3Al和碳的粉末壓坯；步驟5，反應(yīng)燒結(jié)將步驟4所制得的Ti3Al和碳的粉末壓坯放入氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，最后隨爐冷卻至室溫，即制得高純的Ti3AlC2塊體材料。本發(fā)明的特點還在于，其中步驟I中行星式球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300r/min，球磨時間為20h。其中步驟2中真空熱處理爐選用溫度為900°C，保溫時間為lh。其中步驟3中行星式球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為120r/min，混粉時間為8h。其中步驟4中鋼模選用的壓強(qiáng)為150MPa，保壓時間為lmin。其中步驟5中的燒結(jié)爐的保護(hù)氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度為1200°C，以10°C /min的速度升至設(shè)定的燒結(jié)溫度，并在燒結(jié)溫度下保溫I小時。本發(fā)明的有益效果是，通過本發(fā)明一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法，獲得了Ti3AlC2相的純度可高達(dá)97. 56%的Ti3AlC2塊體材料，較低的雜質(zhì)相含量可以使材料保持高的力學(xué)、電學(xué)和摩擦學(xué)特性，可用作電刷材料、高速鐵路用的受電弓滑板和軸瓦材料等。


圖1是本發(fā)明一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法的流程圖；圖2是本發(fā)明一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法的實施例中機(jī)械合金化后的粉末經(jīng)退火處理所制得的Ti3Al金屬間化合物粉末的X射線衍射圖譜；圖3是本發(fā)明一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法的實施例中所制備的Ti3AlC2塊體材料的X射線衍射圖譜；圖4是本發(fā)明一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法的實施例中所制備的Ti3AlC2塊體材料放大4000倍的微觀結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法的實施例中所制備的Ti3AlC2塊體材料的能譜分析結(jié)果。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
本發(fā)明提供了一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法，以鈦、鋁、碳三種單質(zhì)粉末為原料，先將鈦和鋁粉通過高能球磨和退火處理制備高純Ti3Al金屬間化合物粉末，隨后與碳粉均勻混合后通過反應(yīng)燒結(jié)的方式制備高純的Ti3AlC2塊體材料，如圖1所示，按照以下步驟實施步驟I，機(jī)械合金化鈦、鋁混合粉末根據(jù)擬制備的Ti3Al的化學(xué)計量比確定鈦、鋁的摩爾比，并根據(jù)公式(I)計算出二者的質(zhì)量比，再按需要制備的Ti3AlC2材料的總質(zhì)量，計算出所需的鈦粉和鋁粉的質(zhì)量；
m, mol, M1,.、— = ^-1X~L(I)
m2 mo 12 M2
m'mol,Mi式中，」為質(zhì)量比，一為摩爾比，為相對原子量之比；
m2ITioI2M1按照球料質(zhì)量比為10:1的比例，將稱取好的鈦粉、鋁粉和鎢球同時放入行星式球磨機(jī)的球磨罐中，球磨時間為20h，行星式球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300r/min，采用該球磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械合金化處理后得到混合均勻的Ti3Al粉末；步驟2，退火處理 將步驟I得到的混合均勻的Ti3Al粉末裝入石英坩堝中，放入真空熱處理爐中,選用溫度為900°C，保溫時間為IhjfTi3Al粉末進(jìn)行退火處理。步驟3，制備Ti3Al和碳粉混合粉末根據(jù)擬制備的Ti3AlC2的化學(xué)計量比確定Ti3Al、碳的摩爾比，根據(jù)公式(I)計算出二者的質(zhì)量比，再按需要制備的Ti3AlC2材料的總質(zhì)量，計算出所需的碳粉的質(zhì)量；按照球料質(zhì)量比為3:1的比例，稱取好碳粉、不銹鋼球，并將其與步驟2中經(jīng)退火處理的Ti3Al粉末一同放入行星式球磨機(jī)的球磨罐中進(jìn)行混粉，混粉時間為8h，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為120r/min，采用該球磨機(jī)進(jìn)行混粉后得到混合均勻的Ti3Al和碳粉粉末；步驟4，壓制成型將步驟3中制得的混合均勻的Ti3Al和碳粉粉末裝入鋼模中，選用的壓強(qiáng)為150MPa，保壓時間為lmin，經(jīng)過壓制后制得Ti3Al和碳的粉末壓坯；步驟5，反應(yīng)燒結(jié)將步驟4所制得的Ti3Al和碳的粉末壓坯放入氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，保護(hù)氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度為1200°C，以10°C /min的速度升至設(shè)定的燒結(jié)溫度，并在燒結(jié)溫度下保溫I小時，最后隨爐冷卻至室溫，即制得高純的Ti3AlC2塊體材料。實施例預(yù)采用機(jī)械合金化結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)制備質(zhì)量為30g的Ti3AlC2塊體材料，其操作步驟為根據(jù)Ti3Al的化學(xué)計量比，首先確定擬合金化的鈦、鋁的摩爾比為3:1，按照公式(O計算出其質(zhì)量比為5. 32:1，根據(jù)擬制備的Ti3AlC2塊體材料的總質(zhì)量30g，計算并稱取22. 14g粒度為60-80 μ m的鈦粉和4. 16g粒度為60-80 μ m的鋁粉。將所稱取的鈦粉、鋁粉按球料質(zhì)量比為10:1的比例，與263g的鎢球同時放入球磨罐中，在QM-1SPl-CL型行星式球磨機(jī)上進(jìn)行球磨20小時，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300r/min，然后，將球磨后的Ti3Al粉末裝入石英坩堝并在真空熱處理爐中退火lh，退火溫度為900°C。
接下來，根據(jù)擬制備的Ti3AlC2的化學(xué)計量比確定Ti3Al、碳的摩爾比為1:2，按照公式(I)計算出二者的質(zhì)量比為7. 1: 1，根據(jù)擬制備的Ti3AlC2塊體材料的總質(zhì)量30g，計算并稱取3. 7g粒度為45-55 μ m的炭粉，并將其與退火處理后的Ti3Al粉末以及90g不銹鋼球同時放入QM-1SPl-CL型行星式球磨機(jī)混料罐中，其中球料質(zhì)量比為3:1，該球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為120r/min，混粉8小時后得到混合均勻的Ti3Al和碳的粉末。采用Φ30的鋼模將混合均勻的Ti3Al和碳的粉末在150MPa的壓強(qiáng)下，保壓時間lmin，壓制成粉末壓坯。最后將壓制好的Ti3Al和碳的粉末壓坯放入SBG-07H型氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中，采用氬氣保護(hù)，在1200°C燒結(jié)I小時，其升溫速率為10°C /min，最后隨爐冷卻至室溫，即制得高純的Ti3AlC2塊體材料。如圖2本發(fā)明一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法的實施例中機(jī)械合金化后的粉末經(jīng)退火處理所制得的Ti3Al金屬間化合物粉末的X射線衍射圖譜所示，可以看出，經(jīng)機(jī)械合金化和真空退火處理后的粉末主要為Ti3Al,僅存在少量的TiO2 ；如圖3本發(fā)明一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法的實施例中所制備的Ti3AlC2·塊體材料的X射線衍射圖譜，經(jīng)X射線衍射分析，制得的Ti3AlC2塊體材料的純度為97. 56%，其中少量的雜質(zhì)相為Ti3Al,高于目前其他方法制備Ti3AlC2塊體材料的純度。如圖4本發(fā)明一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法的實施例中所制備的Ti3AlC2塊體材料放大4000倍的微觀結(jié)構(gòu)圖，圖中所示的全部為片層狀的結(jié)構(gòu)，與Ti3AlC2相的結(jié)構(gòu)特征相符；如圖5本發(fā)明一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法的實施例中所制備的Ti3AlC2塊體材料的能譜分析結(jié)果，從中可以看出，鈦、鋁、碳三種元素的原子比接近3:1:2，表明所制備的材料為Ti3AlC2。
權(quán)利要求
1.一種高純Ti3Aic2塊體材料的制備方法，其特征在于，以鈦、鋁、碳三種單質(zhì)粉末為原料，先將鈦和鋁粉通過高能球磨和退火處理制備高純Ti3Al金屬間化合物粉末，隨后與碳粉均勻混合后通過反應(yīng)燒結(jié)的方式制備高純的Ti3AlC2塊體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，按照以下步驟實施 步驟1，機(jī)械合金化鈦、鋁混合粉末 根據(jù)Ti3Al的化學(xué)計量比確定鈦、鋁的摩爾比，并根據(jù)公式(I)計算出二者的質(zhì)量比，再按需要制備的Ti3AlC2材料的總質(zhì)量，計算出所需的鈦粉和鋁粉的質(zhì)量； 式中 為質(zhì)量比，一為摩爾比，i為相對原子量之比；按照球料質(zhì)量比為10:1的比例，將稱取好的鈦粉、鋁粉和鎢球同時放入行星式球磨機(jī)的球磨罐中，進(jìn)行機(jī)械合金化處理后得到混合均勻的Ti3Al粉末； 步驟2，退火處理 將步驟I得到的混合均勻的Ti3Al粉末裝入石英坩堝中，放入真空熱處理爐中，對Ti3Al粉末進(jìn)行退火處理； 步驟3，制備Ti3Al和碳粉混合粉末 根據(jù)Ti3AlC2的化學(xué)計量比確定Ti3Al、碳的摩爾比，根據(jù)公式(I)計算出二者的質(zhì)量t匕，再按需要制備的Ti3AlC2材料的總質(zhì)量，計算出所需碳粉的質(zhì)量； 按照球料質(zhì)量比為3:1的比例，稱取好碳粉、不銹鋼球，并將其與步驟2中經(jīng)退火處理的Ti3Al粉末一同放入行星式球磨機(jī)的球磨罐中，進(jìn)行混粉后得到混合均勻的Ti3Al和碳粉粉末； 步驟4，壓制成型 將步驟3中制得的混合均勻的Ti3Al和碳粉粉末裝入鋼模中，經(jīng)過壓制后制得Ti3Al和碳的粉末壓坯； 步驟5，反應(yīng)燒結(jié) 將步驟4所制得的Ti3Al和碳的粉末壓坯放入氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，最后隨爐冷卻至室溫，即制得高純的Ti3AlC2塊體材料。
3.如權(quán)利要求2所述的一種制備方法，其特征在于，所述步驟I中行星式球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300r/min,球磨時間為20h。
4.如權(quán)利要求2所述的一種制備方法，其特征在于，所述步驟2中真空熱處理爐選用溫度為900°C，保溫時間為Ih。
5.如權(quán)利要求2所述的一種制備方法，其特征在于，所述步驟3中行星式球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為120r/min，混粉時間為8h。
6.如權(quán)利要求2所述的一種制備方法，其特征在于，所述步驟4中鋼模選用的壓強(qiáng)為150MPa，保壓時間為lmin。
7.如權(quán)利要求2所述的一種制備方法，其特征在于，所述步驟5中的燒結(jié)爐的保護(hù)氣氛為氬氣，燒結(jié)溫度為1200°C，以10°C /min的速度升至設(shè)定的燒結(jié)溫度，并在燒結(jié)溫度下保溫 I小時。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高純Ti3AlC2塊體材料的制備方法，以鈦、鋁、碳三種單質(zhì)粉末為原料，先將鈦和鋁粉通過高能球磨和退火處理制備高純Ti3Al金屬間化合物粉末，隨后與碳粉均勻混合后通過反應(yīng)燒結(jié)的方式制備高純的Ti3AlC2塊體材料，通過這種方法可以獲得Ti3AlC2相的純度可高達(dá)97.56%的Ti3AlC2塊體材料，較低的雜質(zhì)相含量可以使材料保持高的力學(xué)、電學(xué)和摩擦學(xué)特性，可用作電刷材料、高速鐵路用的受電弓滑板和軸瓦材料等。
文檔編號C04B35/622GK102992767SQ20121046957
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者賈磊, 呂振林, 謝輝, 方佳, 程逞 申請人:西安理工大學(xué)