本發(fā)明涉及Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料及其制備方法，具體為一種制備具有高強度的致密的Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

Ti₂AlC為三元層狀化合物，六方晶系，晶格參數(shù)為a＝0.304nm，c＝1.360nm。Ti₂AlC同時兼具金屬和陶瓷的優(yōu)良性能，使其在航空、航天、核工業(yè)以及化工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，受到了材料科學(xué)工作者的廣泛研究。

Ti₂AlC不僅能像金屬一樣，具有很好的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能，具有較高的彈性模量和剪切模量，相對密度低，易于機械加工。

Ti₂AlC也像陶瓷一樣，具有較高的熔點，優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能，抗熱震性能好、高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性以及抗氧化性能，具有良好的高溫塑性。因此Ti₂AlC在高溫、化學(xué)腐蝕條件下可以用作各類減摩構(gòu)件，像風(fēng)扇軸承、特殊的機械密封件、化學(xué)反應(yīng)釜攪拌器軸承等。

由于Ti₂AlC自身的層狀結(jié)構(gòu)，因此Ti₂AlC能和石墨一樣具有優(yōu)良的自潤滑性能和低的摩擦系數(shù)，可用作新一代的電刷和電極材料。

然而，由于Ti₂AlC陶瓷材料強度和硬度低，抗蠕變強度較低,限制了其作為高溫結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。而向Ti₂AlC陶瓷材料中加入其它傳統(tǒng)陶瓷材料，可以明顯地強化Ti₂AlC的綜合性能。如向Ti₂AlC中引入TiC、SiC、Al₂O₃等增強相，可以使其成為很好的增強增韌材料,增強效果明顯,從而使其力學(xué)性能提高。因此Ti₂AlC復(fù)合材料作為高溫結(jié)構(gòu)材料，是高溫發(fā)動機理想的侯選材料。

引入第二相進行復(fù)合強化是目前改善Ti₂AlC陶瓷材料綜合性能的有效措施。由于Al₂O₃具有較高的硬度和高的彈性模量，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，具有耐高溫、抗磨損、耐腐蝕等優(yōu)點。尤其具有同Ti₂AlC接近的熱膨脹系數(shù)(Al₂O₃的熱膨脹系數(shù)為8.3×10^-6K^-1；Ti₂AlC的熱膨脹系數(shù)為8.2±0.2×10^-6K^-1)。因此常選用Al₂O₃顆粒來改善Ti₂AlC材料的強度和硬度。

陶瓷制備方法有無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和高溫自蔓延燒結(jié)等技術(shù)。但熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)存在耗時長，成本高，生產(chǎn)效率低等缺點；高溫自蔓延燒結(jié)反應(yīng)條件苛刻，反應(yīng)過程難以控制，難以獲得較高的致密度；而無壓燒結(jié)技術(shù)同樣也存在致密度較低這一缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于制備高強度的Ti₂AlC為基體的復(fù)合材料，通過添加Al₂O₃纖維作為第二相，在等離子放電燒結(jié)下，制備的材料具有99％以上的致密度，具有高的強度和良好的韌性。

Al₂O₃纖維相較Al₂O₃顆粒性能更好，生產(chǎn)制備Al₂O₃纖維的方法有很多，包括氣相法、前驅(qū)體法、熔融抽絲法、濕氫法等方法，目前市場上可以商業(yè)購買到Al₂O₃纖維。與碳纖維、碳化硅纖維等非氧化物纖維和金屬纖維比較，Al₂O₃纖維同樣具有高強度、高模量、熱導(dǎo)率小、熱膨脹系數(shù)低、抗化學(xué)侵蝕、高耐熱和耐高溫氧化，在高溫下具有較高的拉伸強度。其表面活性好，易與陶瓷等基體復(fù)合，形成性能優(yōu)異的復(fù)合材料。因此本發(fā)明選擇采用商業(yè)購買的Al₂O₃纖維制備一種致密的Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料。

等離子燒結(jié)技術(shù)制備過程中升溫速度快，保溫時間短，燒結(jié)的壓力小，具有燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時間短，致密度高等優(yōu)點，因此本發(fā)明選擇在等離子放電燒結(jié)爐中制備一種致密的Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種致密的Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料，復(fù)合材料基體晶粒為片層狀結(jié)構(gòu)，Al₂O₃纖維均勻的分布在基體Ti₂AlC中，基體晶粒的尺寸為5-20微米之間，阿基米德法測試的上述復(fù)合材料的致密度大于99％。

上述復(fù)合材料中Al₂O₃纖維含量為20vol.％。

本發(fā)明的另一目的是提供一種高強度和高致密度的Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的制備方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種致密的Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的制備方法，以Ti₂AlC粉末和Al₂O₃纖維為原料，先將Al₂O₃纖維在200-400℃下進行處理，再手工研磨至長度為50-200微米，將該Al₂O₃纖維與Ti₂AlC粉末混合后球磨12-24h；再在等離子放電燒結(jié)爐中在1000-1500℃溫度下施加10-100MPa的壓力加壓成型，保溫時間為1-60min。

上述Ti₂AlC粉末的粒度為5微米-20微米，Al₂O₃纖維含量為20vol.％。

上述Ti₂AlC粉末的粒度為5微米，Al₂O₃纖維為原料總量的20vol.％，將上述Ti₂AlC粉末與手工研磨后的Al₂O₃纖維混合后球磨12h，裝入等離子燒結(jié)爐中，在40MPa壓力下和1300℃溫度下燒結(jié)成型，保溫時間為20分鐘。

上述Ti₂AlC粉末的粒度為20微米，Al₂O₃纖維為原料總量的20vol.％，將上述Ti₂AlC粉末與手工研磨后的Al₂O₃纖維混合后球磨24h，裝入等離子燒結(jié)爐中，在100MPa壓力下和1200℃溫度下燒結(jié)成型，保溫時間為60分鐘。

上述Ti₂AlC粉末的粒度為10微米，Al₂O₃纖維為原料總量的20vol.％，將上述Ti₂AlC粉末與手工研磨后的Al₂O₃纖維混合后球磨24h，裝入等離子燒結(jié)爐中，在60MPa壓力下和1150℃溫度下燒結(jié)成型，保溫時間為30分鐘。

本發(fā)明高強度的Ti₂AlC復(fù)合材料，以Ti₂AlC為基體，添加Al₂O₃纖維作為第二相，得到材料的晶粒尺寸為5-20微米，具有較高的強度。

本發(fā)明制備高強度Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的方法，通過等離子放電燒結(jié)的方法致密化，其Al₂O₃纖維能夠均勻的分布在基體Ti₂AlC上。

本發(fā)明制備高強度Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的方法，改變Al₂O₃纖維的含量，材料的強度、硬度和斷裂韌性都有著明顯的改變。

所述制備Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的方法，以商業(yè)化的Ti₂AlC粉末、Al₂O₃纖維作為原料，Ti₂AlC粉末的晶粒尺寸分布在5-20微米，纖維的直徑大約為20微米。先將Al₂O₃纖維在400℃下進行處理，再手工研磨Al₂O₃纖維至長度為50-200微米，將纖維與Ti₂AlC粉末混合后球磨12h，裝入等離子放電燒結(jié)爐中，在10-100MPa壓力下和1000-1500℃的溫度下燒結(jié)，保溫時間為1-60min。從而，制備出高強度，組織均勻的復(fù)相陶瓷材料。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1.致密度高、燒結(jié)溫度低，燒結(jié)時間短。本發(fā)明以商業(yè)板狀的Ti₂AlC粉末和Al₂O₃纖維為原料，通過等離子放電燒結(jié)的方法制備出致密的Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料。制備過程中升溫速度快，保溫時間短，燒結(jié)的壓力小。

2.力學(xué)性能好、導(dǎo)熱性能好。所制備的復(fù)合材料，其致密度都達到99％以上，三點彎曲強度達到450MPa以上，能滿足高溫結(jié)構(gòu)材料的強度要求。

附圖說明

圖1a為本發(fā)明Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的X射線衍射圖譜。

圖1b為本發(fā)明Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的X射線衍射圖譜。

圖2a和圖2b分別為本發(fā)明Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的相對致密度曲線圖和顯微硬度曲線圖。

圖3a和圖3b分別為本發(fā)明Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的彎曲強度曲線圖和斷裂韌性曲線圖。

圖4a為Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM照片。

圖4b為Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM照片。

圖4c為Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的EDS能譜。

圖4d為Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的EDS能譜。

圖5a為Ti₂AlC/0vol.％Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM彎曲斷口照片。

圖5b為Ti₂AlC/20vol.％Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM彎曲斷口照片。

圖5c為Ti₂AlC/30vol.％Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM彎曲斷口照片。

具體實施方式

下面通過實例詳述發(fā)明。

實施例1

采用平均顆粒粒度為5微米的商業(yè)Ti₂AlC粉體(Ti₂AlC粉體純度95％,含有5％的Ti₃AlC₂)，將直徑為20微米的3M公司Nextel 610系列氧化鋁纖維(610系列的氧化鋁纖維純度高達99％)在200℃下處理，再手工研磨Al₂O₃纖維，將纖維按照體積百分數(shù)為5％、10％、20％、30％分別與Ti₂AlC粉末混合后球磨12h，裝入等離子放電燒結(jié)爐中，在40MPa壓力下和1300℃的溫度下燒結(jié)，保溫時間為20分鐘，冷卻后獲得Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料。阿基米德法測試的致密度均大于99％，在氧化鋁纖維含量達到20vol.％時(指原料總量的20vol.％，下同)，材料的彎曲強度最大達到687.6MPa，顯微硬度為7.2GPa，斷裂韌性為6.5MPa·m^1/2。

實施例2

采用平均顆粒粒度為20微米的商業(yè)Ti₂AlC粉體(Ti₂AlC粉體純度95％,含有5％的Ti₃AlC₂)，將直徑為20微米的3M公司Nextel 720系列氧化鋁纖維(720系列的Al₂O₃纖維中含有15％的SiO₂)在400℃下處理，再手工研磨Al₂O₃纖維，將纖維按照體積百分數(shù)為5％、10％、20％、30％分別與Ti₂AlC粉末混合后球磨24h，裝入等離子放電燒結(jié)爐中，在100MPa壓力下和1200℃的溫度下燒結(jié)，保溫時間為60分鐘，冷卻后獲得Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料。阿基米德法測試的致密度均大于99％，在氧化鋁纖維含量達到20vol.％時，材料的彎曲強度最大達到546.7MPa，顯微硬度為6.6GPa，斷裂韌性為6.6MPa·m^1/2。

比較例

采用平均顆粒粒度為10微米的商業(yè)Ti₂AlC粉體，裝入等離子放電燒結(jié)爐中，在60MPa壓力下和1150℃的溫度下燒結(jié)，保溫時間為30分鐘，冷卻后獲得純Ti₂AlC材料。阿基米德法測試的密度為4.085g/cm³，致密度大于99％，在氧化鋁纖維含量達到20vol.％時，純Ti₂AlC材料的顯微硬度為4.8GPa，彎曲強度達到465MPa，斷裂韌性為6.2MPa·m^1/2。Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料和Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料與純Ti₂AlC材料相比，纖維復(fù)合材料的顯微硬度、彎曲強度、斷裂韌性都高于純Ti₂AlC材料。

下面具體介紹采用等離子放電燒結(jié)技術(shù)，獲得致致密的Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料和Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的差異。

圖1為制備的Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的X射線衍射圖譜：(a)為Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的X射線衍射圖譜,可以看到Ti₂AlC的峰非常明顯，由于Ti₂AlC原料中含有少量Ti₃AlC₂，所以在衍射圖譜上可以看到Ti₃AlC₂的峰。隨著Al₂O₃纖維體積百分數(shù)按照5％、10％、20％、30％不斷提高，Al₂O₃峰的高度也不斷增強，因此沒有證據(jù)表明Al₂O₃與Ti2AlC發(fā)生反應(yīng)。(b)為Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的X射線衍射圖譜?？梢钥吹絋i₂AlC的峰非常明顯，由于Ti₂AlC原料中含有少量Ti₃AlC₂，所以在衍射圖譜上可以看到Ti₃AlC₂的峰。隨著Al₂O₃纖維體積百分數(shù)按照5％、10％、20％、30％不斷提高，Al₂O₃峰的高度也不斷增強，而720系列的Al₂O₃纖維中含有的SiO₂非常少，因此沒有看到SiO₂的衍射峰。

圖2為Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的相對致密度和顯微硬度曲線：(a)為Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的相對致密度曲線，(b)為Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的顯微硬度曲線。從圖(b)中可以看到隨著Al₂O₃纖維含量從0vol.％增加到30vol.％,Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的顯微硬度確不斷得到提高，說明Al₂O₃纖維的增強作用非常明顯。從圖(a)中可以對比發(fā)現(xiàn)隨著Al₂O₃纖維含量從0vol.％增加到30vol.％,Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的相對致密度不斷下降，說明Al₂O₃纖維含量過高并非有利，含量越高材料內(nèi)部出現(xiàn)空洞缺陷的幾率將大大增加，勢必影響Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的性能。圖3為Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的彎曲強度和斷裂韌性曲線。(a)為Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的彎曲強度曲線，(b)為Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的斷裂韌性曲線。從圖中可以對比發(fā)現(xiàn)隨著Al₂O₃纖維含量從0vol.％增加到30vol.％,Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料的抗彎強度和斷裂韌性呈先增加然后減小的現(xiàn)象，Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料在Al₂O₃纖維含量為20vol.％時抗彎強度達到最高為687.6MPa；Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料在Al₂O₃纖維含量為20vol.％時抗彎強度達到最高為546.7MPa。而Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料在Al₂O₃纖維含量為5vol.％時斷裂韌性達到最高為7.1MPa·m^1/2；Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料在Al₂O₃纖維含量為5vol.％時抗彎強度達到最高為7.4MPa·m^1/2?？梢园l(fā)現(xiàn)Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料比Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料具有更高的硬度和抗彎強度，然而Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的斷裂韌性卻比Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料偏低。

圖4為Ti₂AlC/20vol.％Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM照片和EDS能譜。(a)為Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM照片，(b)為Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM照片，(c)為Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的EDS能譜，(d)為Ti₂AlC/720-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的EDS能譜。圖5為Ti₂AlC/610-Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM彎曲斷口照片:(a)為Ti₂AlC/0vol.％Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM彎曲斷口照片，(b)為Ti₂AlC/20vol.％Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM彎曲斷口照片，(c)為Ti₂AlC/30vol.％Al₂O₃纖維復(fù)合材料的SEM彎曲斷口照片?？梢钥吹郊毿〉腁l₂O₃纖維均勻彌散的分布在Ti₂AlC基體當(dāng)中，一方面Al₂O₃纖維分散在Ti₂AlC基體晶界，可以起到阻礙基體晶粒的生長，從而細化晶粒，提高復(fù)合材料強度；另一方面均勻彌散分布的Al₂O₃纖維可以對裂紋擴展有效起到阻礙作用，起到增韌作用。但是當(dāng)Al₂O₃纖維含量超過一定值，由于Al₂O₃纖維含量較高會出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，從而使得復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。

復(fù)合材料基體晶粒為片狀結(jié)構(gòu)”中基體是指Ti₂AlC基體。本發(fā)明的目的是在Ti₂AlC陶瓷中引入Al₂O₃纖維作為第二相,進行復(fù)合強化Ti₂AlC陶瓷材料,是目前改善Ti₂AlC陶瓷材料綜合性能的有效措施。因此本發(fā)明的一種致密的Ti₂AlC/Al₂O₃纖維復(fù)合材料是以Ti₂AlC陶瓷作為基體,以Al₂O₃纖維作為增強相，其中Ti₂AlC陶瓷基體晶粒為片狀結(jié)構(gòu)，而Al₂O₃纖維呈短棒狀。