專利名稱：一種Ti₃SiC₂基粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Ti3SiC2基粉體的制備方法，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
作為一種新型三元層狀化合物，Ti3SiC2屬于六方晶系，由平面Si層被Ti6C八面體 連接起來(lái)構(gòu)成層狀結(jié)構(gòu)。Ti3SiC2不僅具有陶瓷材料耐高溫、抗氧化、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，還具有 金屬材料良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、可加工性、塑性等優(yōu)點(diǎn)。更有意義的是，它具有比傳統(tǒng)的固體潤(rùn) 滑劑石墨、二硫化鉬更低的摩擦系數(shù)和良好的自潤(rùn)滑性能。Ti3SiC2與SiC、Al2O3等其他材 料合成的復(fù)合材料，具有良好的物理化學(xué)性能。目前，Ti3SiC2粉體的制備方法主要有機(jī)械合金法、固液反應(yīng)、熱處理、無(wú)壓燒結(jié)等。 由于鈦無(wú)法完全轉(zhuǎn)化為Ti3SiC2，這些方法制備的Ti3SiC2粉體純度不高，主要雜質(zhì)是鈦的碳 化物和氧化物等。Luo Yongming等研究了聚碳硅烷和鈦粉混合高溫裂解，其制備的粉體材 料中只有少量的Ti3SiC2相，主要是TiC、Ti5Si3C等雜質(zhì)相，無(wú)法獲得純度較高的Ti3SiC2粉 體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是通過(guò)改善工藝條件，提供一種工藝簡(jiǎn)單、方便應(yīng)用、可批量生產(chǎn) 的高純Ti3SiC2粉體和Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料的制備方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下各 組分重量比是鈦粉聚碳硅烷=(0.71 2. 48) 1，制備步驟是(1)首先將聚碳硅烷溶于有機(jī)溶劑，然后將鈦粉放置于聚碳硅烷的有機(jī)溶劑中，攪 拌使其混合均勻。升溫?cái)嚢枋褂袡C(jī)溶劑揮發(fā)充分直至溶液變成粘稠狀，然后將其完全烘干。 有機(jī)溶劑可以選擇汽油、二甲苯。(2)在氬氣氣氛保護(hù)下將烘干的粉料進(jìn)行裂解，裂解溫度為800°C 1200°C，保溫 時(shí)間為0. 5 2小時(shí)，升溫速度為2 7。C /min。聚碳硅烷發(fā)生無(wú)機(jī)化，并在裂解過(guò)程中和 鈦粉進(jìn)行初步反應(yīng)。(3)取出裂解的產(chǎn)物，研磨成細(xì)粉。在氬氣氣氛保護(hù)下將其進(jìn)行高溫處理，處理溫 度為1400 1600°C，保溫時(shí)間為0. 5 2小時(shí)，升溫速度為2 7°C /min。從熱力學(xué)的角度分析，整個(gè)過(guò)程大致如下(1)低溫裂解過(guò)程。這是一個(gè)初步反應(yīng)的過(guò)程，溫度區(qū)間為800°C 1200°C。800°C 900°C，聚碳硅烷發(fā)生裂解，生成SiC和C。這些生成物具有很大的活性， 又與Ti發(fā)生反應(yīng)，生成TiC和Ti5Si3C。Ti沒(méi)有完全參與反應(yīng)，有少量殘留?？赡馨l(fā)生的反 應(yīng)方程式如下PCS —SiC+CTi+C—TiCTi+SiC — Ti5Si3C+C900°C 1200°C，Ti完全發(fā)生反應(yīng)，主要生成TiC和Ti5Si3C。
(2)高溫處理過(guò)程。這是對(duì)初步反應(yīng)物進(jìn)行處理的過(guò)程，溫度區(qū)間為1400°C 1600 "C。在這個(gè)過(guò)程中，Ti基本轉(zhuǎn)化為Ti3SiC2?？赡馨l(fā)生的反應(yīng)方程式如下Ti5Si3C+C — Ti3SiC2+SiTi5Si3C+TiC+C — Ti3SiC2本發(fā)明在技術(shù)方案中的關(guān)鍵點(diǎn)主要有三個(gè)1.鈦粉和聚碳硅烷的重量比。合適的鈦粉和聚碳硅烷重量比是制備高純Ti3SiC2 基材料的關(guān)鍵。聚碳硅烷量較少時(shí)，裂解產(chǎn)物不能提供足夠的活性成分，鈦粉無(wú)法完全反 應(yīng)生成Ti3SiC2,主要是TiC等雜相；當(dāng)鈦粉和聚碳硅烷的重量比合適時(shí)，鈦粉完全轉(zhuǎn)化為 Ti3SiC2，并且沒(méi)有SiC相殘留，形成高純Ti3SiC2粉體；當(dāng)聚碳硅烷較多時(shí)，鈦粉完全轉(zhuǎn)化為 Ti3SiC2,多余的聚碳硅烷轉(zhuǎn)化為SiC，形成Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料。2.制備步驟中第( 步驟的裂解溫度。裂解溫度對(duì)形成適量的活性成分，獲得高 純1135比2具有重要影響。當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，聚碳硅烷無(wú)法充分裂解；當(dāng)溫度合適時(shí)，聚碳硅烷 充分裂解，為鈦粉完全反應(yīng)生成Ti3SiC2提供充足的活性成分；當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，聚碳硅烷裂 解產(chǎn)物結(jié)晶度提高，活性降低，同時(shí)與Ti發(fā)生反應(yīng)，使得活性成分減少。3.制備步驟中第(3)步驟的高溫處理過(guò)程。高溫處理可以促進(jìn)低溫裂解后各組分 進(jìn)一步反應(yīng)，使鈦的化合物完全轉(zhuǎn)化為Ti3SiC2。本技術(shù)方案對(duì)Ti3SiC2的合成具有重要作用。在低溫裂解過(guò)程中，聚碳硅烷和鈦粉 經(jīng)過(guò)各種反應(yīng)生成具有一定活性的物質(zhì)；高溫處理之前，重新將初步反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行混合， 增加了活性成分的接觸，有利于反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行；高溫處理過(guò)程使初步反應(yīng)物充分反應(yīng)， TiC和Ti5Si3C充分反應(yīng)，最終使Ti基本轉(zhuǎn)變?yōu)門i3SiC2。對(duì)獲得高純Ti3SiC2粉體和Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料進(jìn)行性能分析(I)X射線衍射(XRD)圖譜顯示，Ti基本轉(zhuǎn)化為Ti3SiC2相，不含鈦的其它化合物 相。(2)制備的高純Ti3SiC2粉體結(jié)晶度很高，顯示出完全為Ti3SiC2相。查閱 Ti3SiC2PDF卡片，可以得出Ti3SiC2粉體呈現(xiàn)出兩種結(jié)構(gòu)形態(tài)。制備的Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料的主要成分相為Ti3SiC2，含有少量的SiC。其中鈦完 全轉(zhuǎn)化為Ti3SiC2，不含其它鈦的化合物。(3)透射電鏡(TEM)照片顯示，Ti3SiC2粉體粒度較小，約為500nm 1 μ m。(4)透射電鏡(TEM)照片顯示，Ti3SiC2呈現(xiàn)單晶和多晶的混合相，結(jié)晶程度較好。


圖1.制備條件為鈦粉聚碳硅烷=1. 66 1、裂解溫度為900°C，1500°C高溫處 理獲得的高純Ti3SiC2粉末的X射線衍射圖譜，表明Ti3SiC2粉末純度較高，結(jié)晶度高。圖2.制備條件為鈦粉聚碳硅烷=1. 66 1、裂解溫度為1100°C，1500°C高溫 處理獲得的高純Ti3SiC2粉末的X射線衍射圖譜，表明Ti3SiC2粉末純度較高，結(jié)晶度高。圖3.制備條件為鈦粉聚碳硅烷=1. 24 1、裂解溫度為900°C，1500°C高溫處 理獲得的Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料的X射線衍射圖譜，表明Ti完全以Ti3SiC2的形式存在，結(jié) 晶度高，并含有少量SiC雜質(zhì)。
圖4.制備條件為鈦粉聚碳硅烷=0. 83 1、裂解溫度為900°C，1500°C高溫處 理獲得的Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料的X射線衍射圖譜，表明Ti完全以Ti3SiC2的形式存在，結(jié) 晶度高，并含有少量SiC雜質(zhì)。圖5.制備條件為鈦粉聚碳硅烷=1. 24 1、裂解溫度為1100°C，1500°C溫處 理獲得的Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料的X射線衍射圖譜，表明Ti完全以Ti3SiC2的形式存在，結(jié) 晶度高，并含有少量SiC雜質(zhì)。圖6.制備條件為鈦粉聚碳硅烷=0. 83 1、裂解溫度為1100°C，1500°C高溫 處理獲得的Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料的X射線衍射圖譜，表明Ti完全以Ti3SiC2的形式存在， 結(jié)晶度高，并含有少量SiC雜質(zhì)。圖7.制備條件為鈦粉聚碳硅烷=1. 66 1、裂解溫度為900°C，1500°C高溫處 理獲得的Ti3SiC2粉體的透射電鏡圖像，表明Ti3SiC2粉末粒度較小，結(jié)晶度較高。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)具體實(shí)施方法來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。實(shí)施例1一種Ti3SiC2粉體的制備方法，它的各組分重量比是鈦粉聚碳硅烷=1.66 1， 制備步驟是(1)首先將聚碳硅烷溶于有機(jī)溶劑，然后將鈦粉放置于聚碳硅烷的有機(jī)溶劑中，超 聲使其混合均勻。升溫?cái)嚢枋褂袡C(jī)溶劑揮發(fā)充分直至溶液變成粘稠狀，然后利用真空干燥 箱將其完全烘干。使用的有機(jī)溶劑為二甲苯。( 取出烘干的粉料，將其放置于氧化鋁坩堝中。在氬氣氣氛保護(hù)下將粉料進(jìn)行裂 解，裂解溫度為900°C，升溫速度為5°C/min。聚碳硅烷發(fā)生無(wú)機(jī)化，并在裂解過(guò)程中和鈦粉 進(jìn)行初步反應(yīng)。(3)取出裂解的產(chǎn)物，研磨成細(xì)粉。將研磨的細(xì)粉重新放置于氧化鋁坩堝中。在 氬氣氣氛保護(hù)下將其進(jìn)行高溫處理，處理溫度為1500°C，升溫速度為5°C /min，得到高純 Ti3SiC2粉體，其X射線衍射(XRD)圖譜如圖1所示，透射電鏡(TEM)照片如圖7所示。實(shí)施例2本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是，在制備步驟的第( 步驟中，裂解溫度為 1100°C。其余各組分和制備步驟與實(shí)施方式一相同。得到的高純Ti3SiC2粉體X射線衍射 (XRD)圖譜如圖2所示。實(shí)施例3本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是，它的各組分重量比是鈦粉聚碳硅烷= 1.24 1。制備步驟與實(shí)施方式一相同。得到的Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料X射線衍射(XRD) 圖譜如圖3所示。實(shí)施例4本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同點(diǎn)是，它的各組分重量比是鈦粉聚碳硅烷= 0. 83 1。制備步驟與實(shí)施方式一相同。得到的Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料X射線衍射(XRD) 圖譜如圖4所示。實(shí)施例55
本實(shí)施方式與實(shí)施方式三的不同點(diǎn)是，在制備步驟的第( 步驟中，裂解溫度為 1100°C。其余各組分和制備步驟與實(shí)施方式三相同。得到的Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料X射線 衍射(XRD)圖譜如圖5所示。實(shí)施例6本實(shí)施方式與實(shí)施方式四的不同點(diǎn)是，在制備步驟的第(2)步驟中，裂解溫度為 1100°C。其余各組分和制備步驟與實(shí)施方式四相同。得到的Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料X射線 衍射(XRD)圖譜如圖6所示。
權(quán)利要求
1.一種Ti3SiC2基粉體的制備方法，其特征在于按照重量比鈦粉聚碳硅烷=(0.71 2. 48) 1，包括下述步驟(1)首先將聚碳硅烷溶于有機(jī)溶劑，然后將鈦粉放置于聚碳硅烷的有機(jī)溶劑中，攪拌使 其混合均勻。升溫?cái)嚢枋褂袡C(jī)溶劑揮發(fā)充分直至溶液變成粘稠狀，然后將其完全烘干；(2)在氬氣氣氛保護(hù)下將烘干的粉料進(jìn)行裂解。聚碳硅烷發(fā)生無(wú)機(jī)化，并在裂解過(guò)程中 和鈦粉進(jìn)行初步反應(yīng)；(3)取出裂解的產(chǎn)物，研磨成細(xì)粉。在氣氛保護(hù)下將其進(jìn)行高溫處理。
2.按權(quán)利要求1所述的一種Ti3SiC2粉體的制備方法，其特征在于在制備步驟的第(2) 步驟中裂解溫度是800°C 1200°C，保溫時(shí)間為0. 5 2小時(shí)，升溫速度為2 7°C /min。
3.按權(quán)利要求1所述的一種Ti3SiC2粉體的制備方法，其特征在于在制備步驟的第(4) 步驟中對(duì)低溫裂解的產(chǎn)物進(jìn)行高溫處理，處理溫度為1400°C 1600°C，保溫時(shí)間為0. 5 2小時(shí)，升溫速度為2 7°C /min。
4.按權(quán)利要求1所述的一種Ti3SiC2粉體的制備方法，其特征在于在制備步驟的第(2) 和第C3)步驟中，保護(hù)氣氛為氬氣。
5.按權(quán)利要求1所述的一種Ti3SiC2粉體的制備方法，其特征在于在制備步驟的第(1) 步驟中，采用的有機(jī)溶劑為二甲苯或汽油。
全文摘要
本發(fā)明提供一種Ti3SiC2基粉體的制備方法。本發(fā)明采用(1)將鈦粉和聚碳硅烷按照重量比(0.71～2.48)∶1混合并溶于有機(jī)溶劑，攪拌烘干使其均勻混合；(2)對(duì)烘干的粉料低溫裂解，溫度為800℃～1200℃，保溫時(shí)間0.5～2小時(shí)，升溫速度2～7℃/min，獲得初步反應(yīng)物；(3)對(duì)初步反應(yīng)物高溫處理，溫度為1400～1600℃，保溫時(shí)間0.5～2小時(shí)，升溫速度2～7℃/min。根據(jù)原料組分重量比不同，獲得Ti3SiC2基粉體材料。結(jié)果顯示，鈦粉基本轉(zhuǎn)化為Ti3SiC2。相比傳統(tǒng)方法，高純Ti3SiC2粉體純度較高，粒度較小，結(jié)晶度較高。
文檔編號(hào)C01B31/30GK102050448SQ20091019840
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者丁玉生, 周海軍, 楊金山, 王震, 董紹明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所