專利名稱:一種鈦鋁碳化物粉料及其以錫為反應(yīng)助劑的合成方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種鈦鋁碳化物(Ti3AlC2)粉料及其以錫(Sn)為反應(yīng)助劑的鈦鋁碳化物粉料的合成方法。
背景技術(shù):
鈦鋁碳化物粉是一種新型的三元碳化物陶瓷粉末,可用其為原料,制備具有高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率、耐熱沖擊、自潤滑、可機(jī)械加工等性能的鈦鋁碳化物塊體材料及各種含鈦鋁碳化物的復(fù)合材料和器件。
鈦鋁碳化物作為一種新的物質(zhì)1994年由Pietzka和Schuster(J.Phase Equilib,1994[15]392)首次發(fā)現(xiàn)。2000年Tzenov等人(J.Am Ceram.Soc,2000[83]825)以Ti粉、Al4C3粉和石墨粉為原料,用熱等靜壓(HIP)法,在1400℃下70MPa熱等靜壓16小時,原位合成了含4%氧化鋁的Ti3AlC2塊體材料樣品。2003年周延春等人(2003年5月14日,[21]ZL專利號00123203.7)以Ti粉、Al粉和C粉為原料,用原位熱壓/固-液反應(yīng)方法,在1200~1500℃、10~50MPa下熱壓0.5~4小時,原位合成了Ti3AlC2塊體材料樣品。2004年翟洪祥等人(Mater.Sci.Forum,(2004)[475-479]1251)以鈦粉、鋁粉和石墨粉為原料,用熱壓燒結(jié)的方法,在1450℃、20MPa下熱壓0.5小時,原位合成了Ti3AlC2體積含量大于98%的高純度Ti3AlC2塊體材料樣品。但是,各種原位合成的方法不能廣泛用于制備含有Ti3AlC2的復(fù)相陶瓷材料和各種含有Ti3AlC2的復(fù)合材料,在工程應(yīng)用上有很大的局限性。一般地,要制備各種實用的Ti3AlC2材料及其復(fù)合材料和器件,需要用高純度的Ti3AlC2粉為原料進(jìn)行二次制備。因此,高純度的Ti3AlC2粉料及其合成方法對于Ti3AlC2材料的實際應(yīng)用具有十分重要的意義。
用高溫煅燒的方法合成Ti3AlC2粉料,是經(jīng)濟(jì)實用的,適合工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。用高溫煅燒的方法,不僅需要通過配方設(shè)計和工藝設(shè)計最大限度地提高一次合成粉料中的Ti3AlC2含量,同時需要解決合成反應(yīng)過程中因反應(yīng)熱集中而發(fā)生的熱爆問題。熱爆的發(fā)生對所用的高溫爐有很大的危害,而且導(dǎo)致大量的碳化鈦(TiC)等雜相的生成。Peng等人(Mater.Sci.Forum,(2004)[475-479]1247)曾嘗試在原料中添加氧化硼(B2O3)的方法抑制熱爆的發(fā)生。但是這些添加的B2O3最終殘留在合成的粉料中,對粉料的性能有害。而且,B2O3的存在不利于合成反應(yīng)過程中Ti3AlC2的生成,因而難以提高合成粉料中Ti3AlC2的含量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高純度的鈦鋁碳化物粉料及以錫為反應(yīng)助劑的鈦鋁碳化物粉料的合成方法。
本發(fā)明的鈦鋁碳化物粉料,其成分如下Ti3AlC2體積含量>98vol.%;TiC等雜相的體積含量<2vol.%。
本發(fā)明的以錫為反應(yīng)助劑的鈦鋁碳化物粉料合成方法,包括以下各步驟(1)配料將鈦(Ti)粉、鋁(Al)粉、石墨(C)粉和錫(Sn)粉按摩爾比Ti∶Al∶C∶Sn=3.0∶(0.9~1.1)∶(1.8~2.0)∶(0.05~0.2)的比例配料;(2)混料每100克上述配料中加入70毫升的無水乙醇、200~250克的瑪瑙球或氧化鋁球,球磨2~6小時,在烘箱中60~70℃烘干,將烘干的混合原料研碎,過70~100目篩;(3)預(yù)壓將上述混料后的干燥原料用10~20MPa的壓強(qiáng)壓制成任何形狀的塊體;(4)煅燒將上述預(yù)壓的混合原料放入石墨罐并置于高溫爐中,在氬氣保護(hù)下,按10~40℃/min的升溫速率,將爐溫升至1300℃~1550℃,保溫5~10min,以10~15℃/min的速率冷卻,即得到本發(fā)明的鈦鋁碳化物粉料。
用本發(fā)明的合成方法得到的Ti3AlC2粉料中不含或只含極少量的TiC等雜相。作為反應(yīng)助劑加入的Sn固溶在Ti3AlC2晶粒內(nèi),對Ti3AlC2粉料的性能沒有實質(zhì)性影響;用Sn作反應(yīng)助劑,可以有效地抑制TiC等雜相的生成,而且在合成的粉料中沒有或只有極少量的反應(yīng)助劑殘留物質(zhì),因而不需要后處理就能獲得高純度的Ti3AlC2粉料;用Sn作反應(yīng)助劑,可以有效地防止合成過程中熱爆現(xiàn)象的發(fā)生,因而可以一爐次獲得kg級的高純度Ti3AlC2粉料,適合工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn);用Sn作反應(yīng)助劑,可以使合成溫度降低到1300℃,合成溫度的范圍擴(kuò)大到1300~1500℃,因而顯著放寬了對高溫爐的技術(shù)條件和溫度控制的要求,有利于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。
圖1是用本發(fā)明方法合成的鈦鋁碳化物粉料的X-射線衍射圖譜。
具體實施例方式
實施例1一個總重量為9.0克的小樣品。稱取Ti粉5.98克、Al粉1.12克、石墨粉0.91克、Sn粉0.99克,混合后加入6毫升無水乙醇和20克瑪瑙球,球磨混料2小時,然后烘干、研碎、過100目篩,在15MPa壓強(qiáng)下壓實,放入高溫爐中的石墨模具中,氬氣保護(hù),以38℃/min的速率升溫至1500℃,保溫5min,以10~15℃/min的速率將爐溫降至60℃,將反應(yīng)生成的疏松狀塊體取出、研碎,即得到本發(fā)明的鈦鋁碳化物粉料;其中鈦鋁碳化物的體積含量大于99%。這個實施例展示了在本發(fā)明所述的上限溫度和接近上限升溫速率情況下合成鈦鋁碳化物粉料的操作細(xì)節(jié)。
實施例2本發(fā)明的一個總重量為44.3克的小樣品。稱取Ti粉30.0克、Al粉6.0克、石墨粉4.6克、Sn粉3.7克,混合后加入31毫升無水乙醇和100克瑪瑙球,球磨混料3小時,然后烘干、研碎、過100目篩,在20MPa壓強(qiáng)下壓實,放入高溫爐中的石墨模具中,氬氣保護(hù),以30℃/min的速率升溫至1450℃,保溫5min,以10~15℃/min的速率將爐溫降至60℃,將反應(yīng)生成的疏松狀塊體取出、研碎,即得到本發(fā)明的鈦鋁碳化物粉料;其中鈦鋁碳化物的體積含量大于98.5%。這個實施例展示了在本發(fā)明所述的配方、合成溫度、升溫速率和坯體成型壓強(qiáng)范圍內(nèi)任選參數(shù)的情況下合成鈦鋁碳化物粉料的操作細(xì)節(jié)。
實施例3一個總重量為432.3克的較大樣品。稱取Ti粉287.5克、Al粉54.0克、石墨粉43.3克、Sn粉47.5克,混合后加入303毫升無水乙醇和1080克瑪瑙球,球磨混料6小時,然后烘干、研碎、過100目篩,在10MPa壓強(qiáng)下壓實,放入高溫爐中的石墨模具中,氬氣保護(hù),以20℃/min的速率升溫至1350℃,保溫5min,以10-15℃/min的速率將爐溫降至60℃,將反應(yīng)生成的疏松狀塊體取出、研碎,即得到本發(fā)明的鈦鋁碳化物粉料;其中鈦鋁碳化物的體積含量大于98.0%。這個實施例展示了在接近本發(fā)明所述的下限溫度和下限升溫速率情況下合成鈦鋁碳化物粉料的操作細(xì)節(jié)。
圖1是本發(fā)明方法合成的鈦鋁碳化物粉料的X-射線衍射圖譜。該圖譜表明用本發(fā)明方法合成的鈦鋁碳化物粉料由鈦鋁碳化物單一相組成,沒有或只有極少雜相存在。
權(quán)利要求
1.一種鈦鋁碳化物粉料,其特征在于,其成分如下鈦鋁碳Ti3AlC2相的體積含量>98%,碳化鈦TiC等雜相的體積含量<2%。
2.一種以錫為反應(yīng)助劑的鈦鋁碳化物粉料的合成方法,其特征在于,該方法包括以下步驟(1)配料將鈦Ti粉、鋁Al粉、石墨C粉和錫Sn粉按摩爾比Ti∶Al∶C∶Sn=3.0∶0.9~1.1∶1.8~2.0∶0.05~0.2的比例配料;(2)混料將配料加入無水乙醇介質(zhì),球磨2~6小時,之后在烘箱中60~70℃下烘干,再將烘干的混合原料研碎,過70~100目篩;(3)預(yù)壓將上述混料后的干燥原料用10~20MPa的壓強(qiáng)壓制成任何形狀的塊體;(4)煅燒將上述預(yù)壓的混合原料放入石墨罐并置于高溫爐中,在氬氣保護(hù)下,按10~40℃/min的升溫速率,將爐溫升至1300℃~1550℃,保溫5~10min,然后以10~15℃/min的速率冷卻,即得到本發(fā)明的鈦鋁碳化物粉料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鈦鋁碳化物(Ti
文檔編號C01B31/30GK1699159SQ200510011650
公開日2005年11月23日 申請日期2005年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月29日
發(fā)明者翟洪祥, 艾明星, 周洋, 黃振鶯, 張志力, 李世波 申請人:北京交通大學(xué)