專(zhuān)利名稱(chēng)：具有組合孔型的TiB₂-TiC-TiN-NiAl多孔復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多孔材料及其制備工藝，尤其一種TB2-TiC-TiN-NiAl復(fù)合的多孔材料及其制備方法，屬于材料合成與加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
TiC、Ti&、TiN、Ti(C，N)皆為性能優(yōu)良的非氧化物陶瓷材料，具有熔點(diǎn)高、硬度大、 耐腐蝕和抗氧化性好的特點(diǎn)，在機(jī)械、化工、汽車(chē)制造和航空航天等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，常作為硬質(zhì)工具材料、磨料、合金添加劑、耐磨部件及惰性電極材料和高溫電工材料應(yīng)用。中國(guó)專(zhuān)利CN101555137(申請(qǐng)?zhí)?00910027763. 4)公開(kāi)了一種以TiH2、Si、石墨和B4C 為原料，通過(guò)氣氛保護(hù)燒結(jié)制備的(TiB2+TiC)/Ti3SiC2復(fù)相陶瓷材料及其制備方法。中國(guó)專(zhuān)利 CN101941843A(申請(qǐng)?zhí)?201010253986. 5)公開(kāi)了一種以 TiB2_TiC、WC 和 Ni 為原料，通過(guò)球磨和高溫?zé)Y(jié)制備TB2-TiC-WC超硬材料及其制備方法。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利CN101161374(申請(qǐng)?zhí)?00710056355. 2)公開(kāi)了一種以Cr、Ti和B4C為原料，通過(guò)澆鑄高溫金屬鋼液誘發(fā)壓坯的燃燒合成反應(yīng)，原位形成TB2和TiC復(fù)相混雜陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料及其制備方法。中國(guó)專(zhuān)利CN101445370(申請(qǐng)?zhí)?00810209771)公開(kāi)了一種以Ti、B和BN為原料，通過(guò)球磨、熱壓燒結(jié)制備打“?。』瘡?fù)合材料其制備方法。中國(guó)專(zhuān)利CN101139204(申請(qǐng)?zhí)?00710044847. X)公開(kāi)了一種以Ti、BN和Si3N4粉末為原料，通過(guò)原位反應(yīng)制備 TiN-TW2-Ti5Si3(或者TiSi2)陶瓷基復(fù)相材料及其制備方法。專(zhuān)利ZL90103830. X發(fā)明一種以TiH2、Ti、BN、B4C、C為原料，通過(guò)熱壓燒結(jié)反應(yīng)制造Ti (CxNy)和TiB2復(fù)合材料的方法。 中國(guó)專(zhuān)利CN101787476A公布了一種以Ni、Ti、B4C和BN為原料，通過(guò)燃燒合成與壓力輔助相結(jié)合的方法制備了 TiCxNy-TiB2/Ni金屬-陶瓷復(fù)合材料。美國(guó)專(zhuān)利US No. 4492764發(fā)明了采用Ti(CaN0)和TB2粉末原料，通過(guò)高溫氣氛燒結(jié)，制備了具有較高密度、結(jié)合強(qiáng)度和高硬度的Ti (CaN0)-TiB2復(fù)合陶瓷材料及其工藝。但未見(jiàn)有關(guān)于TiC-TW2-TiN復(fù)合材料以及關(guān)于其中一種材料或者兩種以上的復(fù)合材料做成多孔材料的方法方面的發(fā)明或者報(bào)道。Ni-Al系金屬間化合物具有密度低、高溫比強(qiáng)度和比剛度高、抗氧化性和耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，兼具金屬的強(qiáng)韌性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性和陶瓷的熱穩(wěn)定性，在高溫結(jié)構(gòu)材料和涂層方面用途廣泛。將金屬間化合物材料制備成多孔材料，可進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，充分利用其性能優(yōu)勢(shì)。中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)CN1584083公開(kāi)了一種以Ni、Al、Co、Fe、Cu及NiAl粉末為原料，通過(guò)通電加熱引發(fā)反應(yīng)制備M-Al金屬間化合物多孔材料的方法。中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào) CN101301630B公開(kāi)了一種以Ni、Al、TiH2及Al2O3粉末為原料，加入乙醇濕法混合，通過(guò)自蔓延高溫合成反應(yīng)制備以NiAl、NiTi、TiAl金屬間化合物為基體，TW2和Al2O3彌散分布的多孔復(fù)合材料的方法。但多孔材料的孔隙度有限，也未見(jiàn)有將M-Al系金屬間化合物材料與TiC、TiB2, TiN等陶瓷材料組成復(fù)合材料的研究報(bào)道
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種性能好的TiC-TiN-TB2-NiAl復(fù)合材料并將其做成特殊結(jié)構(gòu)的多孔材料的方法，以進(jìn)一步發(fā)揮TiC、Ti&、TiN等陶瓷材料和Ni-Al系金屬間化合物材料的性能優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大這些材料在過(guò)濾、分離、催化等方面的應(yīng)用。本發(fā)明的多孔材料是以Ti粉、B4C粉、Ni粉和Al粉為原料，同時(shí)空氣中的氮?dú)庖矃⑴c反應(yīng)，原料粉末及氮?dú)獍l(fā)生自蔓延高溫合成反應(yīng)Ti+B4C+Ni+Al+N2 — TiC+TiB2+TiN+NiAl+Q......①生成產(chǎn)物TiC、TiB2, TiN, NiAl,即在空氣中通過(guò)固態(tài)反應(yīng)合成骨架由顆粒狀的 TiC、Ti&、TiN和分布于顆粒之間的NiAl組成的多孔復(fù)合材料，內(nèi)部具有多孔結(jié)構(gòu)，孔洞是開(kāi)孔和閉孔的組合結(jié)構(gòu)，孔隙率為38. 2 % 48. 6 %，開(kāi)孔孔徑80 200 μ m,閉孔孔徑50 80 μ m,閉孔分布于開(kāi)孔的骨架內(nèi)，閉孔壁面厚度4 8 μ m ；整個(gè)閉孔壁面是粗糙的顆粒緊密堆砌的結(jié)構(gòu)形態(tài)，具有高的抗壓強(qiáng)度，室溫抗壓強(qiáng)度達(dá)到31. 2 46. 2Mpa。本發(fā)明通過(guò)改變配比，控制坯體密度，可獲得不同孔隙率、強(qiáng)度的多孔 TiC-TiB2-TiN-NiAl復(fù)合材料，這種多孔材料可廣泛用于這種多孔材料可廣泛用于冶金、化工、環(huán)保、能源、生物、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域中的過(guò)濾、分離部件和催化劑載體等。本發(fā)明的多孔TB2-TiC-TiN-NiAl復(fù)合材料是由以下方法制備的第一步粉末準(zhǔn)備原料采用市售粉末狀的鈦粉(Ti)、碳化硼(B4C)、鎳粉(Ni)和鋁粉(Al)，，其中碳化硼(B4C)、鎳粉(Ni)粒度為200目，鈦粉(Ti)、鋁粉(Al)粒度為100目。第二步反應(yīng)物料配置首先分別將反應(yīng)物料Ti和B4C按照摩爾比4 1配比成GTi^C)粉末、反應(yīng)物料Ni和Al按照摩爾比1 1配比成(Ni+Al)粉末；然后再將上述獲得的GTi+lC)粉末與(Ni+Al)粉末按照GTi+B4C) (Ni+Al) = (40 7O) (；30 60)的重量比例配成反應(yīng)物料。第三步制坯將第二步配置好的反應(yīng)物料混合均勻后冷壓制成圓柱形壓坯；上述反應(yīng)物料的混合一般采用三維混合機(jī)干法混合6- ；上述圓柱形壓坯的直徑一般Φ 50mm、高一般為100mm，制坯時(shí)的壓力一般為50 65Mpa。第四步多孔復(fù)合材料的合成將試樣壓坯預(yù)熱，通過(guò)自蔓延高溫合成反應(yīng)得到多孔TiC-TiN-TB2-NiAl復(fù)合材料，這種多孔復(fù)合材料孔洞是開(kāi)孔和閉孔的組合結(jié)構(gòu)，孔隙率為38. 2% 48.6%，開(kāi)孔孔徑80 200孔徑μ m,閉孔孔徑50 80 μ m。閉孔分布于開(kāi)孔的骨架內(nèi)，壁面厚度4 8 μ m，室溫抗壓強(qiáng)度達(dá)到31. 2 46. 2Mpa。上述孔隙率和室溫抗壓強(qiáng)度檢測(cè)分別依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1966-1996和GB/ T1964-1996。上述試樣壓坯一般采用加熱爐300°C預(yù)熱1小時(shí)。本發(fā)明通過(guò)調(diào)整制坯壓力、(Ni+Al)的含量可制備不同孔隙率、強(qiáng)度的多孔 TiC-TiN-TiB2-NiAl復(fù)合材料。將試樣壓坯放入加熱爐中，溫度300°C預(yù)熱1小時(shí)。上述孔隙率和室溫抗壓強(qiáng)度檢測(cè)依據(jù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T1966-1996、GB/T1964-1996。采用上述的技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，無(wú)需額外添加造孔齊U、增強(qiáng)劑，反應(yīng)過(guò)程利用Ti+B4C+Ni+ Al+N2 — TiC+TiB2+TiN+NiAl+Q體系自身放熱，使得TiC、TiN、Ti&和NiAl相的生成以及多孔材料的獲得一步完成，且在空氣中在較低的溫度下進(jìn)行，降低了多孔TiC-TiN-TW2-NiAl 復(fù)合材料的制造成本。(2)多孔TB2-TiC-TiN-NiAl復(fù)合材料的孔洞是開(kāi)孔和閉孔的組合結(jié)構(gòu)，孔隙率為 38. 2% 48. 6%，開(kāi)孔孔徑80 200孔徑μ m,閉孔孔徑50 80 μ m。閉孔分布于開(kāi)孔的骨架內(nèi)，壁面厚度4 8μπι。(3)多孔復(fù)合材料骨架微觀組織由NiAl相粘結(jié)TiC、TiN, TiB2顆粒組成，整個(gè)閉孔壁面是粗糙的顆粒緊密堆砌的結(jié)構(gòu)形態(tài)，具有高的抗壓強(qiáng)度，室溫抗壓強(qiáng)度達(dá)到31. 2 46.2Mpa。(4)通過(guò)調(diào)節(jié)制坯壓力和(Ni+Al)的含量，可制備不同孔隙率和抗壓強(qiáng)度的多孔 TiB2-TiC-TiN-NiAl復(fù)合材料。這種多孔材料可廣泛用于冶金、化工、環(huán)保、能源、生物、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域中的過(guò)濾、分離部件和催化劑載體等。


圖1是本發(fā)明多孔TB2-TiC-TiN-NiAl復(fù)合材料的Χ-ray衍射物相分析圖譜，其中(Ni+Al)含量為 30wt% ；圖2是本發(fā)明多孔TB2-TiC-TiN-NiAl復(fù)合材料的Χ-ray衍射物相分析圖譜，其中(Ni+Al)含量為 50wt% ；圖3是本發(fā)明多孔TB2-TiC-TiN-NiAl復(fù)合材料孔洞微觀形貌圖，其中孔洞為開(kāi)孔和閉孔的組合結(jié)構(gòu)；圖4是本發(fā)明多孔TiC-TiN-TiB2_NiAl復(fù)合材料閉孔的微觀形貌圖
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)

本發(fā)明的多孔TiC-TB2-TiN-NiAl復(fù)合材料的物相組成和微觀組織特點(diǎn)。由圖1、圖2可以看出，本發(fā)明的多孔TiB2-TiC-TiN-NiAl復(fù)合材料的物相組成為 TiC、TiN、TW2和NiAl四相。由圖3可以看出，多孔材料的孔洞為開(kāi)孔和閉孔的組合結(jié)構(gòu)， 開(kāi)孔孔徑80 200孔徑μ m,閉孔孔徑50 80 μ m,閉孔分布于開(kāi)孔的骨架上，壁面厚度 4 8μπι。由圖4可以看出，閉孔分布于開(kāi)孔的骨架上，壁面厚度4 8 μ m，孔壁分布有細(xì)小的TiC、TiN和TW2顆粒，NiAl作為粘結(jié)相分布于TiC、TiN和TW2顆粒之間，整個(gè)閉孔壁面是粗糙的顆粒緊密堆砌的結(jié)構(gòu)形態(tài)，提高多孔材料的強(qiáng)度.實(shí)施例1第一步粉末準(zhǔn)備取市售粉末狀鈦粉(Ti)、碳化硼(B4C)、鎳粉(Ni)和鋁粉(Al)，其中碳化硼(B4C)、 鎳粉(Ni)粒度為200目，鈦粉(Ti)、鋁粉(Al)粒度為100目。第二步Ti+B4C配置
將反應(yīng)物料Ti粉和B4C粉按照摩爾比4 1配比，標(biāo)注為GTi+lC)，配好備用。第三步Ni+Al配置將反應(yīng)物料Ni粉和Al粉按摩爾比1 1配比，標(biāo)注為(Ni+Al)；在本發(fā)明的反應(yīng)體系中，Ni和Al既是反應(yīng)劑又是粘結(jié)劑。第四步反應(yīng)物料配置將上述獲得的GTi+B4C)粉末與(Ni+Al)粉末按照^Ti+B4C) (Ni+Al)= 70 30的重量比例配成反應(yīng)物料，在這種反應(yīng)物料中，GTi+lC)和(Ni+Al)皆作為反應(yīng)劑。第五步粉末混合按照步驟四稱(chēng)量反應(yīng)物料后，采用三維混合機(jī)干法混合6 他，得到均勻混合的粉末。第六步制坯將混合均勻的粉末裝入鋼制模具中冷壓成圓柱形壓坯，直徑Φ 50mm、高100mm，制坯壓力為60Mpa。第七步預(yù)熱將試樣壓坯放入300°C的加熱爐中預(yù)熱1小時(shí)。第八步多孔復(fù)合材料合成將通電鎢絲置于試樣頂部，引發(fā)粉末間的反應(yīng)，發(fā)生自蔓延高溫合成反應(yīng)，反應(yīng)完畢試樣冷卻后，即得到NiAl作為粘接相、分布于TiC、TiB2, TiN顆粒之間的多孔 TiB2-TiC-TiN-NiAl復(fù)合材料。試樣相關(guān)性能如表1所示。表1中多孔材料孔隙率和室溫抗壓強(qiáng)度檢測(cè)依據(jù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/ T1966-1996、GB/T1964-1996。表 1.
權(quán)利要求
1.一種具有組合孔型的TB2-TiC-TiN-NiAl多孔復(fù)合材料，其特征在于，它是以Ti粉、 B4C粉、M粉和Al粉為原料，同時(shí)空氣中的氮?dú)庖矃⑴c反應(yīng)，原料粉末及氮?dú)獍l(fā)生自蔓延高溫合成反應(yīng)，合成骨架由顆粒狀的TiC、TiB2, TiN和分布于顆粒之間的NiAl組成的多孔復(fù)合材料，內(nèi)部具有多孔結(jié)構(gòu)，孔洞是開(kāi)孔和閉孔的組合結(jié)構(gòu)，孔隙率為38. 2% 48. 6%，室溫抗壓強(qiáng)度達(dá)到31. 2 46. 2Mpa，開(kāi)孔孔徑80 200 μ m,閉孔孔徑50 80 μ m,閉孔分布于開(kāi)孔的骨架內(nèi)，閉孔壁面厚度4 8 μ m ；反應(yīng)式為T(mén)i+B4C+Ni+Al+N2 — TiC+TiB2+TiN+NiAl+Q.......
2.一種如權(quán)利要求1所述的多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟如下 第一步粉末準(zhǔn)備原料采用市售粉末狀的鈦粉、碳化硼、鎳粉和鋁粉，其中碳化硼粉和鎳粉粒度為200 目，鈦粉和鋁粉粒度為100目； 第二步反應(yīng)物料配置首先分別將反應(yīng)物料Ti和B4C按照摩爾比4 1配比成GTi+lC)粉末、反應(yīng)物料Ni和 Al按照摩爾比1 1配比成(Ni+Al)粉末；然后再將上述獲得的GTi+lC)粉末與(Ni+Al) 粉末按照GTi+B4C) (Ni+Al) = (40 7O) C30 60)的重量比例配成反應(yīng)物料。 第三步制坯將第二步配置好的反應(yīng)物料采用三維混合機(jī)干法均勻混合，然后冷壓制成圓柱形壓坯；第四步多孔復(fù)合材料的合成將試樣壓坯預(yù)熱，通過(guò)自蔓延高溫合成反應(yīng)得到多孔TiC-TiN-TiB2-NiAl復(fù)合材料，這種多孔復(fù)合材料孔洞是開(kāi)孔和閉孔的組合結(jié)構(gòu)，孔隙率為38. 2% 48. 6%，開(kāi)孔孔徑80 200孔徑μ m,閉孔孔徑50 80 μ m,閉孔分布于開(kāi)孔的骨架內(nèi)，壁面厚度4 8 μ m，室溫抗壓強(qiáng)度達(dá)到31. 2 46. 2Mpa。
3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，第三步中，反應(yīng)物料的混合時(shí)間為6- ；冷壓制成的圓柱形壓坯的直徑為Φ50πιπι、高為100mm，制坯時(shí)的壓力為50 65Mpa ；第四步中，試樣壓坯時(shí)采用加熱爐300°C預(yù)熱1小時(shí)。
4.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，第二步中，反應(yīng)物料配制時(shí)按照 (Ni+Al) = 70 30的重量比例進(jìn)行； 第三步中，制坯時(shí)的壓力為60Mpa ；第四步中，獲得的多孔材料的孔隙率為48. 6%，室溫抗壓強(qiáng)度為31. 2Mpa。
5.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，第二步中，反應(yīng)物料配制時(shí)按照GTi+lC) (Ni+Al) = 60 40的重量比例進(jìn)行； 第三步中，制坯時(shí)的壓力為65Mpa ；第四步中，獲得的多孔材料的孔隙率為41. 6%，室溫抗壓強(qiáng)度為37. 5Mpa。
6.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，第二步中，反應(yīng)物料配制時(shí)按照GTi+lC) (Ni+Al) = 53. 7 46. 3的重量比例進(jìn)行；第三步中，制坯時(shí)的壓力為50Mpa ；第四步中，獲得的多孔材料的孔隙率為43. 5%，室溫抗壓強(qiáng)度為41. 3Mpa。
7.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，第二步中，反應(yīng)物料配制時(shí)按照GTi+lC) (Ni+Al) = 43. 6 56. 4的重量比例進(jìn)行；第三步中，制坯時(shí)的壓力為50Mpa ；第四步中，獲得的多孔材料的孔隙率為39. 5%，室溫抗壓強(qiáng)度為44. 7Mpa。
8.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，第二步中，反應(yīng)物料配制時(shí)按照GTi+B4C) (Ni+Al) =40 60的重量比例進(jìn)行； 第三步中，制坯時(shí)的壓力為65Mpa ；第四步中，獲得的多孔材料的孔隙率為38. 2%，室溫抗壓強(qiáng)度為46. 2Mpa。
9.如權(quán)利要求1所述的多孔材料在冶金、化工、環(huán)保、能源、生物、食品、醫(yī)藥領(lǐng)域中的過(guò)濾、分離部件和催化劑載體中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有組合孔型的TiB2-TiC-TiN-NiAl多孔復(fù)合材料及制備方法，它是以Ti粉、B4C粉、Ni粉和Al粉為原料，同時(shí)空氣中的氮?dú)庖矃⑴c反應(yīng)，原料粉末及氮?dú)獍l(fā)生自蔓延高溫合成反應(yīng)，合成骨架由顆粒狀的TiC、TiB2、TiN和分布于顆粒之間的NiAl組成的多孔復(fù)合材料，孔洞是開(kāi)孔和閉孔的組合結(jié)構(gòu)。這種多孔材料可廣泛用于冶金、化工、環(huán)保、能源、生物、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域中的過(guò)濾、分離部件和催化劑載體等。
文檔編號(hào)C04B38/00GK102212729SQ20111010977
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2011年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月17日
發(fā)明者吳杰, 崔寧, 崔洪芝, 曹麗麗, 滕方磊 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)