一種用自蔓延高溫合成鈦硫碳粉體材料的方法
【專利摘要】一種用自蔓延高溫合成鈦硫碳粉體材料的方法，涉及一種三元碳化物陶瓷粉體材料的制備方法。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有Ti2SC的制備方法存在的工藝復雜、成本高昂、效率低下的技術(shù)問題。方法為：一、將Ti粉、S粉和C粉放入樹脂球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑于行星式球磨機球磨，得到混料，然后將混料放入真空干燥箱中烘干，然后研碎，過篩，得混合均勻的粉末；二、將混合均勻的粉末放入模具中，施加壓力保壓，壓制成預制坯；三、將預制坯放入真空反應器中，然后在預制坯的上表面中心點火，引發(fā)自蔓延燃燒反應，最后將燒結(jié)后的疏松的小塊體研碎成粉末，即得到鈦硫碳粉體材料。本發(fā)明應用于三元碳化物陶瓷粉體材料的制備領域。
【專利說明】一種用自蔓延高溫合成鈦硫碳粉體材料的方法

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三元碳化物陶瓷粉體材料的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，一類具有層狀結(jié)構(gòu)的新型陶瓷材料三元Mn+1AXn(M為過渡金屬，A為主族 元素，X為C或N，n= 1?3)相化合物得到廣大材料科學工作者的青睞，成為了研究熱點。 Ti2SC三兀陶瓷是Mn+1AXn 中的 211 相，由Frick.C等人（Arch.EisenhuttenwesMetall， 31(1960)419)在1960年首次報道。這種材料具有金屬和陶瓷的許多優(yōu)點，例如高熔點、 良好的導電性和導熱性、優(yōu)良的抗氧化性和抗熱震性，以及低摩擦因數(shù)與可加工性能等。 在所有的Mn+1AXn相材料中Ti2SC的晶格參數(shù)比c/a的值最小，使得Ti2SC具有不同于其他 MntlAX1J^化合物的獨特性能，Ti2SC具有最高的硬度（維氏硬度8±2GPa)、最高的熱導率 (eOWm1 ·!〇和最佳的耐磨性（在室溫至550°C的溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)較強的抗摩擦性能）。 因此，Ti2SC很有希望能成為航空航天等領域的新型結(jié)構(gòu)/功能一體化材料。
[0003] 目前關(guān)于Ti2SC合成的報道極少。S.Amini,M.W.Barsoum等人（J.Am.Ceram. Soc，90 (2007) 3953)以Ti2SC粉為原料，通過熱壓燒結(jié)的方法在1500°C和45MPa的壓力下保 溫5h得到Ti2SC塊體材料。萬方芳（武漢：武漢理工大學，2010)采用兩步法合成Ti2SC, 首先將Ti粉和S粉以1 : 2摩爾比混合，于真空中650°C溫度下保溫10小時得TiS2粉體， 然后再將Ti粉、TiS2粉、C粉以Ti:TiS2 :C= 31.2 : 2的摩爾比混合，用熱壓燒結(jié)法于 真空中30MPa壓力及1600°C的溫度下保溫2h，或用放電等離子燒結(jié)法于真空中30MPa壓力 及1450°C的溫度下保溫IOmin得到Ti2SC塊體材料。采用熱等靜壓技術(shù)，所需設備昂貴，且 操作復雜，而采用兩步法合成Ti2SC,成本高昂，工藝更繁瑣耗時。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是要解決現(xiàn)有Ti2SC的制備方法存在的工藝復雜、成本高昂、效率低下的技 術(shù)問題，從而提供了一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法。
[0005] 本發(fā)明的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法是按以下步驟進行的：
[0006] -、將Ti粉、S粉和C粉放入樹脂球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑于行星式球磨 機以150?200r/min的轉(zhuǎn)速球磨5?IOh,得到混料，然后將混料放入真空干燥箱中，在溫 度為30?40°C下烘干，然后研碎，過80?100目篩，得混合均勻的粉末；其中，所述的無水 乙醇的液面沒過Ti粉、S粉和C粉混合物5?IOmm;所述的Ti粉、S粉和C粉的摩爾比為 (1 ?2) : (1 ?I. 2) : 1 ;
[0007] 二、將步驟一得到的混合均勻的粉末放入φ2cm的模具中，施加5?12MPa的壓 力，保壓2?5min，壓制成相對密度為40 %?60 %的預制坯；
[0008] 三、將預制坯放入真空反應器中，然后在預制坯的上表面中心點火，引發(fā)自蔓延燃 燒反應，最后將燒結(jié)后的疏松的小塊體研碎成粉末，即得到鈦硫碳粉體材料。
[0009] 本發(fā)明包括以下有益效果：
[0010] 本發(fā)明利用自蔓延高溫合成法以低成本的Ti粉、S粉和C粉為原料制備出較高純 度（90. 2% )的Ti2SC粉體材料，該工藝成本低，操作簡單，能耗低，效率高，優(yōu)點突出，該技 術(shù)的使用將具有明顯的社會和經(jīng)濟效益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為試驗一制備的鈦硫碳粉體材料的X射線衍射圖譜；其中，?為Ti2SC, ?為 TiC。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0012] 一：本實施方式的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法是 按以下步驟進行的：
[0013] 一、將Ti粉、S粉和C粉放入樹脂球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑于行星式球磨 機以150?200r/min的轉(zhuǎn)速球磨5?IOh,得到混料，然后將混料放入真空干燥箱中，在溫 度為30?40°C下烘干，然后研碎，過80?100目篩，得混合均勻的粉末；其中，所述的無水 乙醇的液面沒過Ti粉、S粉和C粉混合物5?IOmm;所述的Ti粉、S粉和C粉的摩爾比為 (1 ?2) : (1 ?I. 2) : 1 ;
[0014] 二、將步驟一得到的混合均勻的粉末放入φ2cm的模具中，施加5?12MPa的壓 力，保壓2?5min，壓制成相對密度為40 %?60 %的預制坯；
[0015] 三、將預制坯放入真空燃燒合成反應裝置中，然后在預制坯的上表面中心點火，弓丨 發(fā)自蔓延燃燒反應，最后將燒結(jié)后的疏松的小塊體研碎成粉末，即得到鈦硫碳粉體材料。
[0016] 本實施方式包括以下有益效果：
[0017] 本實施方式利用自蔓延高溫合成法以低成本的Ti粉、S粉和C粉為原料制備出較 高純度（90. 2% )的Ti2SC粉體材料，該工藝成本低，操作簡單，能耗低，效率高，優(yōu)點突出， 該技術(shù)的使用將具有明顯的社會和經(jīng)濟效益。

【具體實施方式】 [0018] 二：本實施方式與一不同的是：步驟一中Ti粉、S粉和 C粉的質(zhì)量分數(shù)均為99 %?100%。其它與一相同。

【具體實施方式】 [0019] 三：本實施方式與具體是方式一或二不同的是：步驟一中球磨所用 為直徑為IOmm的瑪瑙球，且球料比為10 : 1。其它與一或二相同。

【具體實施方式】 [0020] 四：本實施方式與一至三之一不同的是：步驟一中以 150r/min的轉(zhuǎn)速球磨10h。其它與一至三之一相同。

【具體實施方式】 [0021] 五：本實施方式與一至四之一不同的是：步驟一中在 溫度為35°C下烘干。其它與一至四之一相同。

【具體實施方式】 [0022] 六：本實施方式與一至五之一不同的是：步驟一中所 述的無水乙醇的液面沒過Ti粉、S粉和C粉混合物10mm。其它與一至五之一 相同。

【具體實施方式】 [0023] 七：本實施方式與一至六之一不同的是：步驟一中所 述的Ti粉、S粉和C粉的摩爾比為2 : (1?1.2) : 1。其它與一至六之一 相同。
[0024]

【具體實施方式】八：本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是：步驟二中施 加5?IOMPa的壓力。其它與【具體實施方式】一至七之一相同。

【具體實施方式】 [0025] 九：本實施方式與一至八之一不同的是：步驟二中保 壓2min。其它與一至八之一相同。
[0026] 通過以下試驗驗證本發(fā)明的有益效果：
[0027] 試驗一：本試驗的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法是按以下步驟實 現(xiàn)：
[0028] 一、將Ti粉、S粉和C粉與直徑約為IOmm的瑪瑙球按10 : 1的球料比放入樹脂 球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑于行星式球磨機以150r/min的轉(zhuǎn)速球磨10h，得到混料， 然后將混料放入真空干燥箱中，在溫度為35°C下烘干，然后研碎，過80目篩，得混合均勻的 粉末；其中，所述的無水乙醇的液面沒過Ti粉、S粉和C粉混合物IOmm;所述的Ti粉、S粉 和C粉的摩爾比為2 :I: 1 ;所述的Ti粉、S粉和C粉的質(zhì)量分數(shù)均為99% ;
[0029] 二、將步驟一得到的混合均勻的粉末放入φ2cm的模具中，施加IOMPa的壓力，保 壓2111；[11，壓制成相對密度為60%的預制述；
[0030] 三、將預制坯放入真空燃燒合成反應裝置中，然后在預制坯的上表面中心點火，弓丨 發(fā)自蔓延燃燒反應，最后將燒結(jié)后的疏松的小塊體研碎成粉末，即得到鈦硫碳粉體材料。
[0031] 本試驗制備的鈦硫碳粉體材料的X射線衍射圖譜如圖1所示；其中，?為Ti2SC, ? 為TiC，從圖1可以看出，所制備的Ti2SC粉體材料純度較高，只含少量的雜質(zhì)相TiC。
[0032] 按照本試驗的原料的配比和預制坯的相對密度，所得Ti2SC粉體材料中，Ti2SC的 含量為85. 4%。
[0033] 試驗二：本試驗的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法是按以下步驟實 現(xiàn)：
[0034] 一、將Ti粉、S粉和C粉與直徑約為IOmm的瑪瑙球按10 : 1的球料比放入樹脂 球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑于行星式球磨機以150r/min的轉(zhuǎn)速球磨10h，得到混料， 然后將混料放入真空干燥箱中，在溫度為35°C下烘干，然后研碎，過80目篩，得混合均勻的 粉末；其中，所述的無水乙醇的液面沒過Ti粉、S粉和C粉混合物IOmm;所述的Ti粉、S粉 和C粉的摩爾比為2 : 1.1 : 1;所述的Ti粉、S粉和C粉的質(zhì)量分數(shù)均為99%;
[0035] 二、將步驟一得到的混合均勻的粉末放入φ2cm的模具中，施加IOMPa的壓力，保 壓2111；[11，壓制成相對密度為60%的預制述；
[0036] 三、將預制坯放入真空燃燒合成反應裝置中，然后在預制坯的上表面中心點火，弓丨 發(fā)自蔓延燃燒反應，最后將燒結(jié)后的疏松的小塊體研碎成粉末，即得到鈦硫碳粉體材料。 [0037] 按照本試驗的原料的配比和預制坯的相對密度，所得Ti2SC粉體材料中，Ti2SC的 含量為87. 3%。
[0038] 試驗三：本試驗的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法是按以下步驟實 現(xiàn)：
[0039] 一、將Ti粉、S粉和C粉與直徑約為IOmm的瑪瑙球按10 : 1的球料比放入樹脂 球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑于行星式球磨機以150r/min的轉(zhuǎn)速球磨10h，得到混料， 然后將混料放入真空干燥箱中，在溫度為35°C下烘干，然后研碎，過80目篩，得混合均勻的 粉末；其中，所述的無水乙醇的液面沒過Ti粉、S粉和C粉混合物IOmm;所述的Ti粉、S粉 和C粉的摩爾比為2 : 1. 2 : 1 ;所述的Ti粉、S粉和C粉的質(zhì)量分數(shù)均為99% ;
[0040] 二、將步驟一得到的混合均勻的粉末放入φ2cm的模具中，施加IOMPa的壓力，保 壓2111；[11，壓制成相對密度為60%的預制述；
[0041] 三、將預制坯放入真空燃燒合成反應裝置中，然后在預制坯的上表面中心點火，弓丨 發(fā)自蔓延燃燒反應，最后將燒結(jié)后的疏松的小塊體研碎成粉末，即得到鈦硫碳粉體材料。
[0042] 按照本試驗的原料的配比和預制坯的相對密度，所得Ti2SC粉體材料中，Ti2SC的 含量為90. 2%。
[0043] 試驗四：本試驗的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法是按以下步驟實 現(xiàn)：
[0044] 一、將Ti粉、S粉和C粉與直徑約為IOmm的瑪瑙球按10 : 1的球料比放入樹脂 球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑于行星式球磨機以150r/min的轉(zhuǎn)速球磨10h，得到混料， 然后將混料放入真空干燥箱中，在溫度為35°C下烘干，然后研碎，過80目篩，得混合均勻的 粉末；其中，所述的無水乙醇的液面沒過Ti粉、S粉和C粉混合物IOmm;所述的Ti粉、S粉 和C粉的摩爾比為2 : 1. 2 : 1 ;所述的Ti粉、S粉和C粉的質(zhì)量分數(shù)均為99% ;
[0045] 二、將步驟一得到的混合均勻的粉末放入(p2cm的模具中，施加6MPa的壓力，保壓 2min，壓制成相對密度為50 %的預制坯；
[0046] 三、將預制坯放入真空燃燒合成反應裝置中，然后在預制坯的上表面中心點火，弓丨 發(fā)自蔓延燃燒反應，最后將燒結(jié)后的疏松的小塊體研碎成粉末，即得到鈦硫碳粉體材料。
[0047] 按照本試驗的原料的配比和預制坯的相對密度，所得Ti2SC粉體材料中，Ti2SC的 含量為86. 1%。
[0048] 試驗五：本試驗的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法是按以下步驟實 現(xiàn)：
[0049] 一、將Ti粉、S粉和C粉與直徑約為IOmm的瑪瑙球按10 : 1的球料比放入樹脂 球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑于行星式球磨機以150r/min的轉(zhuǎn)速球磨10h，得到混料， 然后將混料放入真空干燥箱中，在溫度為35°C下烘干，然后研碎，過80目篩，得混合均勻的 粉末；其中，所述的無水乙醇的液面沒過Ti粉、S粉和C粉混合物IOmm;所述的Ti粉、S粉 和C粉的摩爾比為2 : 1. 2 : 1 ;所述的Ti粉、S粉和C粉的質(zhì)量分數(shù)均為99% ;
[0050] 二、將步驟一得到的混合均勻的粉末放入φ2cm的模具中，施加5MPa的壓力，保壓 2min，壓制成相對密度為40 %的預制坯；
[0051] 三、將預制坯放入真空燃燒合成反應裝置中，然后在預制坯的上表面中心點火，弓丨 發(fā)自蔓延燃燒反應，最后將燒結(jié)后的疏松的小塊體研碎成粉末，即得到鈦硫碳粉體材料。
[0052] 按照本試驗的原料的配比和預制坯的相對密度，所得Ti2SC粉體材料中，Ti2SC的 含量為79. 7%。
【權(quán)利要求】
1. 一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法，其特征在于用自蔓延高溫合成Ti 2SC 粉體材料的方法是按以下步驟進行的： 一、 將Ti粉、S粉和C粉放入樹脂球磨罐中，以無水乙醇作為分散劑于行星式球磨機以 150?200r/min的轉(zhuǎn)速球磨5?10h，得到混料，然后將混料放入真空干燥箱中，在溫度為 30?40°C下烘干，然后研碎，過80?100目篩，得混合均勻的粉末；其中，所述的無水乙醇 的液面沒過Ti粉、S粉和C粉混合物5?IOmm ;所述的Ti粉、S粉和C粉的摩爾比為（1? 2) : (1 ?I. 2) : 1 ; 二、 將步驟一得到的混合均勻的粉末放入92 cm的模具中，施加5?12MPa的壓力，保 壓2?5min，壓制成相對密度為40 %?60%的預制述； 三、 將預制坯放入真空燃燒合成反應裝置中，然后在預制坯的上表面中心點火，引發(fā)自 蔓延燃燒反應，最后將燒結(jié)后的疏松的小塊體研碎成粉末，即得到鈦硫碳粉體材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法，其特征在于 步驟一中Ti粉、S粉和C粉的質(zhì)量分數(shù)均為99%?100%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法，其特征在于 步驟一中球磨所用為直徑為IOmm的瑪瑙球，且球料比為10 : 1。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法，其特征在于 步驟一中以150r/min的轉(zhuǎn)速球磨10h。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法，其特征在于 步驟一中在溫度為35°C下烘干。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法，其特征在于 步驟一中所述的無水乙醇的液面沒過Ti粉、S粉和C粉混合物10mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法，其特征在于 步驟一中所述的Ti粉、S粉和C粉的摩爾比為2 : (1?1.2) : 1。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法，其特征在于 步驟二中施加5?IOMPa的壓力。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用自蔓延高溫合成Ti2SC粉體材料的方法，其特征在于 步驟二中保壓2min。
【文檔編號】C04B35/626GK104326748SQ201410460797
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】朱春城, 姚磊, 孫和鑫 申請人:哈爾濱師范大學