專利名稱：在真空狀態(tài)下制備高純度鈦硅碳陶瓷粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷粉體的制備方法，屬于高性能陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鈦硅碳(Ti3SiC2)是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的三元碳化物，這種材料結(jié)合了金屬材料和高性能陶瓷材料的許多優(yōu)良特性，近年來(lái)一直是人們研究的熱點(diǎn)。鈦硅碳(Ti3SiC2)材料擁有像金屬一樣的優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能；相對(duì)較軟，常溫下有良好的可加工性；高溫下具有塑性良好的抗熱震性能和抗氧化性；特殊的層狀結(jié)構(gòu)使其擁有自潤(rùn)滑性能。特殊的性能使這種新型陶瓷材料具有優(yōu)秀的應(yīng)用前景。
如何利用簡(jiǎn)易、低廉的方法獲得高純度量的鈦硅碳(Ti3SiC2)材料一直是這種材料的研究熱點(diǎn)。目前鈦硅碳(Ti3SiC2)的制備方法主要有自蔓延反應(yīng)法、熱壓原位合成法、熱等靜壓法、SPS合成法等，但仍無(wú)法完全解決提高Ti3SiC2純度的問(wèn)題，合成出的鈦硅碳(Ti3SiC2)材料中仍含有TiC、SiC、TiSi2等物質(zhì)。M.W.Barsoum與T.El-Raghy以Ti粉、C粉、SiC粉為原料，利用熱壓合成法，在1600℃Ar氣氣氛下，熱壓壓力40MPa，并保溫4小時(shí)，得到了Ti3SiC2體積分?jǐn)?shù)大于98％的塊體材料。但是，這種工藝較為復(fù)雜，制備成本較高。另外，熱壓合成法也不試用于制備各種形狀復(fù)雜、較大尺寸的材料，也不適合制備各種含鈦硅碳(Ti3SiC2)的復(fù)合材料。
隨著鈦硅碳陶瓷及其復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)的不斷深入和應(yīng)用的迅速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)陶瓷粉體需求的日益增大也促進(jìn)了高純度鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體的合成技術(shù)的不斷發(fā)展。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)CN1245155A提出了“一種鈦碳化硅粉末的制備方法”，以Si、Ti和石墨粉為原料，添加2～10wt％NaF或AlF3·NaF為合成助劑，在惰性氣氛下1200～1300℃保溫1～4小時(shí)，最后所得反應(yīng)產(chǎn)物中Ti3SiC2的含量為93～95％，粉體中仍含有各種雜質(zhì)，并有較多NaF或AlF3·NaF以各種形式的殘留在粉末中。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)CN1594210A提出的“一種制備鈦硅碳陶瓷粉的方法”，以Ti、Si、C三種粉末按摩爾配比3∶(1～2)∶(1.5～2)混合并在真空下球磨，得到的粉體經(jīng)過(guò)酸洗、水洗、氧化等各種后續(xù)處理工藝得到較純的Ti3SiC2粉體，工藝步驟復(fù)雜，對(duì)工藝的要求較高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)、高效制備陶瓷粉體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種在真空狀態(tài)下制備高純度鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體的方法，該制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本較低、適合規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
本發(fā)明提出的在真空狀態(tài)下制備高純度鈦硅碳陶瓷粉體的方法，其特征在于所述方法以碳化鈦粉、鈦粉、硅粉為原料，其摩爾比配比為碳化鈦粉∶鈦粉∶硅粉＝2∶1～1.3∶1.1～1.5；利用真空合成技術(shù)合成制備高純度鈦硅碳粉體，所述粉體中鈦硅碳相的體積分?jǐn)?shù)大于97％，TiC等雜質(zhì)含量低于3％。
在上述制備方法中，所述方法包括以下步驟(1)將碳化鈦粉、鈦粉、硅粉按比例配料；(2)將上述配好的料球磨混合，蒸發(fā)烘干后，研磨過(guò)100目篩；(3)將干燥過(guò)篩后的混合粉料，放入真空反應(yīng)爐中，預(yù)抽真空至5～20Pa，按照升溫速度不大于50℃/分鐘升溫至1300～1400℃，在1300～1400℃溫度范圍真空下保溫1～2小時(shí)，然后自然冷卻至室溫，研磨篩細(xì)后，得到高純度鈦硅碳Ti3SiC2粉體。
本發(fā)明提出的制備高純度鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體的方法，其優(yōu)點(diǎn)具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1、制備過(guò)程中無(wú)需添加各種反應(yīng)助劑，保證了反應(yīng)產(chǎn)物Ti3SiC2相的純度和鈦硅碳(Ti3SiC2)材料的優(yōu)異性能不受影響。
2、利用真空高溫反應(yīng)技術(shù)制備高純鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體，真空在材料合成過(guò)程中有以下作用一、凈化和活化反應(yīng)物顆粒表面，促進(jìn)了顆粒間蒸發(fā)-凝聚傳質(zhì)過(guò)程，加速了固相反應(yīng)的順利進(jìn)行；二、真空環(huán)境促進(jìn)了TiC參與反應(yīng)進(jìn)一步生成Ti3SiC2，從而降低了產(chǎn)物中TiC相的含量，以達(dá)到制備高純鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體的目的。
3、一次合成產(chǎn)物純度高，鈦硅碳(Ti3SiC2)含量大于體積分?jǐn)?shù)97％，雜質(zhì)含量少，無(wú)需后處理工藝進(jìn)一步提純，工藝簡(jiǎn)單，節(jié)省了工序和能耗物耗，提高了生產(chǎn)效率，適于規(guī)?；a(chǎn)。


圖1本發(fā)明反應(yīng)產(chǎn)物粉體X射線衍射圖譜。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明制備鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體的方法，包括以下各步驟(1)將原料TiC粉、Ti粉、Si粉按照摩爾比2∶(1～1.3)∶(1.1～1.5)的比例配料；(2)將上述配料以無(wú)水乙醇為研磨介質(zhì)，加入瑪瑙球或硬質(zhì)合金磨球，球磨24小時(shí)，蒸發(fā)烘干后，研磨過(guò)篩；
(3)將干燥過(guò)篩后的混合粉料放入氧化鋁坩鍋，置于真空反應(yīng)爐中，預(yù)抽真空至5～20Pa，按照升溫速度不大于50℃/分鐘升溫至1300～1400℃，在1300～1400℃溫度范圍真空下保溫1～2小時(shí)，然后自然冷卻至室溫，研磨篩細(xì)后，得到所要求的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
實(shí)施例1稱取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉16.78克，加入90ml無(wú)水乙醇作為球磨介質(zhì)，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時(shí)。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過(guò)100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應(yīng)爐中，預(yù)抽真空至15Pa，以40℃/分鐘的升溫速率升溫至1350℃，保溫1小時(shí)，隨爐自然冷卻至室溫，將反應(yīng)生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量98.2％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。所得粉體的XRD圖譜如附1，可以看出基本只有Ti3SiC2相的衍射峰。
實(shí)施例2稱取TiC粉53.25克、Ti粉24.65克、Si粉15.43克，加入90ml無(wú)水乙醇作為球磨介質(zhì)，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時(shí)。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過(guò)100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應(yīng)爐中，預(yù)抽真空至15Pa，以40℃/分鐘的升溫速率升溫至1300℃，保溫2小時(shí)，隨爐自然冷卻至室溫，將反應(yīng)生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.7％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
實(shí)施例3稱取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉16.18克，加入90ml無(wú)水乙醇作為球磨介質(zhì)，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時(shí)。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過(guò)100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應(yīng)爐中，預(yù)抽真空至20Pa，以40℃/分鐘的升溫速率升溫至1350℃，保溫2小時(shí)，隨爐自然冷卻至室溫，將反應(yīng)生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.4％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
實(shí)施例4稱取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉16.78克，加入90ml無(wú)水乙醇作為球磨介質(zhì)，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時(shí)。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過(guò)100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應(yīng)爐中，預(yù)抽真空至20Pa，以40℃/分鐘的升溫速率升溫至1400℃，保溫1小時(shí)，隨爐自然冷卻至室溫，將反應(yīng)生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.2％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
實(shí)施例5稱取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉17.24克，加入90ml無(wú)水乙醇作為球磨介質(zhì)，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時(shí)。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過(guò)100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應(yīng)爐中，預(yù)抽真空至5Pa，以20℃/分鐘的升溫速率升溫至1300℃，保溫2小時(shí)，隨爐自然冷卻至室溫，將反應(yīng)生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量98.6％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
實(shí)施例6稱取TiC粉53.25克、Ti粉24.65克、Si粉15.43克，加入90ml無(wú)水乙醇作為球磨介質(zhì)，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時(shí)。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過(guò)100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應(yīng)爐中，預(yù)抽真空至5Pa，以20℃/分鐘的升溫速率升溫至1300℃，保溫2小時(shí)，隨爐自然冷卻至室溫，將反應(yīng)生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.5％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
權(quán)利要求
1.在真空狀態(tài)下制備高純度鈦硅碳陶瓷粉體的方法，其特征在于所述方法以碳化鈦粉、鈦粉、硅粉為原料，其摩爾比配比為碳化鈦粉∶鈦粉∶硅粉＝2∶1～1.3∶1.1～1.5；利用真空合成技術(shù)合成制備高純度鈦硅碳粉體，所述粉體中鈦硅碳相的體積分?jǐn)?shù)大于97％，TiC等雜質(zhì)含量低于3％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)將碳化鈦粉、鈦粉、硅粉按比例配料；(2)將上述配好的料球磨混合，蒸發(fā)烘干后，研磨過(guò)100目篩；(3)將干燥過(guò)篩后的混合粉料，放入真空反應(yīng)爐中，預(yù)抽真空至5～20Pa，按照升溫速度不大于50℃/分鐘升溫至1300～1400℃，在1300～1400℃溫度范圍真空下保溫1～2小時(shí)，然后自然冷卻至室溫，研磨篩細(xì)后，得到高純度鈦硅碳Ti3SiC2粉體。
全文摘要
在真空狀態(tài)下制備高純度鈦硅碳陶瓷粉體的方法，屬于高性能陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于以TiC粉、Ti粉、Si粉為原料，按照摩爾比TiC∶Ti∶Si＝2∶(1～1.3)∶(1.1～1.5)的比例配料，球磨混合，烘干過(guò)篩后，放入氧化鋁坩堝中，置于真空反應(yīng)爐，預(yù)抽真空至5～20Pa，以不大于50℃/分鐘的升溫速度升溫至1300～1400℃，在1300～1400℃范圍內(nèi)真空下保溫1～2小時(shí)，自然冷卻至室溫，得到Ti
文檔編號(hào)C04B35/56GK1778767SQ200510086689
公開(kāi)日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2005年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者潘偉, 韓若冰 申請(qǐng)人:清華大學(xué)