专利名称：热压制备高纯度碳化铝钛块体材料的方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷块体的制备方法，特别是一种高导电碳化铝钛Ti3AlC2陶瓷块体及其热压制备方法。
背景技术：
碳化铝钛Ti3AlC2属于新型三元层状化合物。它集金属和陶瓷的优点于一身，集结构和功能一体化，如具有高电导率、抗氧化、耐腐蚀、自润滑、易加工等优良性能。这种新型陶瓷可作为结构和功能材料广泛应用于航空航天、石油化工、交通运输、新能源、电子信息等领域，如是高温结构件的优选材料，是新一代电机电刷材料和热交换材料、高速列车受电弓滑板材料、各种减摩耐磨部件、耐腐蚀构件、固体自润滑材料、燃料电池双极板材料等。
在Ti-Al-C三元相图中，由于Ti3AlC2的相区非常窄，因此合成高纯度Ti3AlC2非常困难，产物中通常存在TiC等杂质相，这对Ti3AlC2材料的导电、易加工、自润滑等性能影响较大，因此限制了Ti3AlC2陶瓷在工程领域的应用。目前，合成致密Ti3AlC2块体主要采用热压及热等静压技术。文献1(J.Am.Ceram.Soc.，2000；83[4]825)报道，以Ti粉、Al4C3粉和石墨粉为原料，在1400C，70MPa压力下热等静压16小时，制备出Ti3AlC2块体材料，但是由于Al4C3的吸湿性，最终产物中存在Al2O3杂质相。中国发明专利ZL00123203.7，公开了一种以原位热压/固-液反应方法制备Ti3AlC2块体材料的方法。以Ti粉、Al粉和C粉为原料，按Ti∶Al∶C＝3∶1∶2的摩尔比配料，在1200～1500℃、25MPa压力下热压0.5～4小时，得到Ti3AlC2块体材料。文献2(稀有金属材料与工程，2005，34(1)132)报道，利用放电等离子快速烧结法，按Ti∶Al∶C＝3∶1.1∶1.8的摩尔比配料，在1500℃，20MPa的压力下合成了Ti3AlC2块体材料，但含有TiC杂质相。
上述方法的特点是，不是烧结时间长，压力大，就是合成材料的纯度低。而且研究发现，采用上述配料时，高温反应过程中因Al的挥发损失，是导致TiC等杂质相存在的主要原因。而Al的挥发损失与Ti/Al/C反应系统中出现“热爆”现象有关。“热爆”现象主要是由于Ti和C的剧烈反应放出大量的热引起的。“热爆”反应的出现，使系统温度急剧升高，造成Al挥发损失严重，改变了系统中各元素的反应比例，影响生成物的纯度。“热爆”反应引起炉内温度剧烈波动，损害炉体的加热件。即使添加B2O3，NaF等低熔点化合物来降低热爆反应程度，但由于低熔点组元的挥发导致炉体及加热件的腐蚀和环境污染。尤其是制备大尺寸Ti3AlC2块体材料时，热爆反应所导致的问题更加突出。
发明内容
本发明所要解决的关键技术问题是，改变传统以Ti，Al和C为初始配料，解决由传统配料合成Ti3AlC2时存在的问题，直接采用Ti，Al和TiC为原料，或添加适量Sn为反应助剂，在稳定的工艺参数下，以热压技术在较宽的温度范围、短时间内，制备高纯度和低成本Ti3AlC2块体材料。
本发明的技术方案为热压制备高纯度碳化铝钛块体材料方法(1)以Ti粉、Al粉和TiC粉为原料，Sn为反应助剂，按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶(0.9～1)∶1∶(0～0.2)的摩尔比配料；(2)将上述配料和玛瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，在球磨机上干混5～10小时；(3)将上述混好的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，在氩气保护气氛下，以20～50℃/分钟的升温速率将炉温升至1350～1550℃，同时对模具中的粉料施加10～30MPa的压力，保温30～60分钟，得到高纯度大尺寸Ti3AlC2块体材料。
本发明和现有技术相比所具有的有益效果在于(1)本发明按照Ti∶Al∶TiC＝1∶1∶1的摩尔比配料，或添加适量Sn为反应助剂，合成相同质量的Ti3AlC2块体材料，与传统配料相比(Ti∶Al∶C＝3∶1∶2摩尔比)，减少了原料粉的含量，降低了成本。
(2)本发明的工艺流程简单，工艺参数稳定，在常规的热压炉中，氩气(或真空)保护气氛下，短时间，较低压力，较宽的温度范围内，制得高纯度Ti3AlC2致密块体材料。
(3)在以Ti，Al和C传统配料合成Ti3AlC2的过程中，首先是Ti和Al反应形成Ti-Al化合物，然后是Ti和C反应生成TiC。生成的TiC与Ti-Al化合物反应生成Ti3AlC2。但是相对于Ti3AlC2生成速度来看，系统中TiC的生成具有滞后性，降低了Ti3AlC2的合成速度。在Ti-Al-TiC配料中直接采用TiC，减少了Ti和C反应生成TiC的过程和步骤，只要达到温度，TiC与Ti-Al化合物直接反应生成Ti3AlC2，使Ti3AlC2的合成速度加快。
(4)在配料中采用TiC代替全部C和部分Ti，避免了传统配料Ti-Al-C系统中热爆反应的发生，不会引起温度的波动，降低了Al的高温损失问题，烧结工艺参数易于稳定，有利于系统组分按设计比例生成，无TiC等杂质相存在，合成Ti3AlC2材料的纯度高。
(5)本发明所用配方，由于避免了传统配料中出现的热爆反应和Al的高温损失问题，因此能制备大尺寸高纯度Ti3AlC2块体材料。
(5)本发明采用Sn作为助剂，由于Sn的熔点低(232℃)，在低温下液相开始出现，使配料中各组分趋于均匀化，有利于反应进行。反应完成后，Sn原子进入Ti3AlC2晶格内形成固溶体，不会以杂质相存在于产物中，因此对Ti3AlC2材料的纯度和特性没有实质性影响。
图1是本发明热压制备的Ti3AlC2陶瓷块体材料的X-射线衍射(XRD)图谱。
具体实施例方式
实施方式一1)按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶1∶1∶0.1的摩尔比配料，称取Ti粉14.68克、Al粉8.29克、TiC粉18.38克，Sn粉3.64克。2)将上述配料和玛瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，混料5小时。3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以30℃/分钟的升温速率将炉温升至1350℃，同时对模具中的粉料施加20MPa的压力，保温时间40分钟，得到高纯度Ti3AlC2致密块体材料。该材料x-射线衍射(XRD)图谱见附图1。由图可见，产物纯度高，在XRD图谱中无TiC等杂质相存在。
实施方式二1)按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶1∶1∶0.15的摩尔比配料，称取Ti粉14.12克、Al粉7.97克、TiC粉17.66克，Sn粉5.25克。2)将上述配料和玛瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，混料5小时。3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以40℃/分钟的速率将炉温升至1400℃，同时对模具中的粉料施加20MPa的压力，保温时间30分钟，得到高纯度Ti3AlC2致密块体材料。其XRD结果与实施方式一相同。
实施方式三1)按Ti∶Al∶TiC＝1∶0.9∶1的摩尔比配料，称取Ti粉16.29克、Al粉8.26克、TiC粉20.37克。2)将上述配料和玛瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，混料8小时。3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以40℃/分钟的速率将炉温升至1500℃，同时对模具中的粉料施加30MPa的压力，保温时间60分钟，得到高纯度Ti3AlC2致密块体材料。其XRD结果与实施方式一相同。
实施方式四1)按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶1∶1∶0.1的摩尔比配料，称取Ti粉83.29克、Al粉46.98克、TiC粉104.20克，Sn粉20.65克。2)将上述配料和玛瑙球按球和料的重量比2∶1放入球磨罐中，混料10小时。3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以30℃/分钟的速率将炉温升至1450℃，同时对模具中的粉料施加30MPa的压力，保温时间30分钟，得到高纯度、直径为Φ120mm的大尺寸Ti3AlC2致密块体材料。其XRD结果与实施方式一相同。
实施方式五1)按Ti∶Al∶TiC＝1∶0.9∶1的摩尔比配料，称取Ti粉92.45克、Al粉46.9克、TiC粉115.61克。2)将上述配料和玛瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，混料10小时。3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以30℃/分钟的速率将炉温升至1500℃，同时对模具中的粉料施加30MPa的压力，保温时间60分钟，得到高纯度、直径为Φ120mm的大尺寸Ti3AlC2致密块体材料。其XRD结果与实施方式一相同。
权利要求
1.热压制备高纯度碳化铝钛块体材料的方法，该方法的步骤为(1)以Ti粉、Al粉和TiC粉为原料，Sn为反应助剂，按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶(0.9～1)∶1∶(0～0.2)的摩尔比配料；(2)将上述配料和玛瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，在球磨机上干混5～10小时；(3)将上述混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以20～50℃/分钟的升温速率将炉温升至1350～1550℃，同时对模具中的粉料施加10～30MPa的压力，保温30～60分钟，得到高纯度大尺寸Ti3AlC2块体材料。
全文摘要
热压制备高纯度碳化铝钛块体材料的方法，以Ti粉、Al粉和TiC粉为原料，适量的Sn为反应助剂，按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶(0.9～1)∶1∶(0～0.2)的摩尔比配料，将配料和玛瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，在球磨机上干混5～10小时后，将混合均匀的配料放入石墨模具内，石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以20～50℃/分钟的速率将炉温升至1350～1550℃，同时对模具中的粉料施加10～30MPa的压力，保温30～60分钟，得到高纯度大尺寸Ti
文档编号C04B35/65GK1948220SQ200610114778
公开日2007年4月18日 申请日期2006年11月23日 优先权日2006年11月23日
发明者李世波, 贝国平, 向卫华, 翟洪祥, 周洋 申请人:北京交通大学