一种无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法
【专利摘要】本发明提供了一种无压烧结制备钛硅碳（Ti3SiC2）陶瓷块体材料的方法，该方法具体为：将原料装入模具中，在20MPa～80MPa的压力下冷压成坯体，然后在150MPa～300MPa的压力下冷等静压成型，再将成型后的样品包埋在钛硅碳粉或者SiC粉中以后放入无压烧结炉中，在惰性气体保护条件或真空条件下以2℃/min～100℃/min的升温速率加热至1200℃～1700℃烧结0.1小时～4小时，得到钛硅碳块体陶瓷材料。实验证实，本发明结合冷压成坯、冷等静压成型，以及无压烧结的工艺，在低成本、低能耗的条件下制得了致密的钛硅碳陶瓷块体材料，并且块体材料的形状多样，因此是一种具有良好应用前景的制备方法。
【专利说明】一种无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高温结构陶瓷的制备技术，特别提供了一种无压烧结制备钛硅碳陶瓷 块体材料的方法。
【背景技术】
[0002] 三元层状MAX相(其中Μ为过渡族金属元素，A为IIIA或IVA族元素，X为C或N) 陶瓷是一类新型高温结构材料，近年来备受关注。这类陶瓷结合了金属和陶瓷的许多优良 特性，如低密度、高强度、高模量、导电、导热、可加工、良好的抗损伤容限及抗热震性能、良 好的高温抗氧化性及化学稳定性等等。这些优异的性能使得MAX相陶瓷在化工、机械、电子 以及航空航天等高【技术领域】具有广阔的应用前景，例如作为高温结构材料用于航空发动机 的涡轮叶片和定子上；作为自润滑材料制作成新一代交流电机的电刷；以及作为熔炼金属 的电极材料使用。最新研究还表明：MAX相陶瓷材料(如Ti 3AlC2和Ti3SiC2)具有良好的抗 辐照损伤性能，有望作为第一壁材料和偏滤器材料应用于新一代核反应堆中。
[0003] 然而，块体材料往往制备困难，这在很大程度上限制了 MAX相陶瓷的广泛应用。目 前MAX相陶瓷块体材料的制备通常伴随着较大的压力，如热压（HP)、热等静压（HIP)、放电 等离子烧结（SPS)等等。这些方法成本高、能耗大，而且难以制备异型件，难以实现规模化 生产。因此，为了促进MAX相陶瓷的进一步应用，开发低成本制备工艺(如净尺寸成型及无 压烧结）成为亟待解决的迫切问题。
[0004] 11351(：2是MAX相陶瓷中研究得最为广泛的材料之一，迄今为止，这种陶瓷的无压 烧结仍存在较大困难，如何抑制烧结过程中Ti 3SiC2的分解是解决问题的关键所在。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术目的是针对现有MAX相陶瓷块体材料的制备过程中由于需要较大 热压而导致的成本高、能耗大等问题，提供一种无压烧结制备钛硅碳（Ti 3SiC2)陶瓷块体材 料的方法，该方法能够大大降低钛硅碳陶瓷块体材料的制备成本与能耗，以实现钛硅碳陶 瓷块体材料的大规模生产。
[0006] 本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种无压烧结制备钛硅碳陶瓷块 体材料的方法，具体步骤如下：
[0007] 以钛硅碳粉为原料，将原料装入模具中，在20MPa?80MPa的压力下冷压成坯体， 然后在150MPa?300MPa的压力下冷等静压成型，再将成型后的样品包埋在钛硅碳粉或者 SiC粉中以后放入无压烧结炉中，在惰性气体保护条件或真空条件下以2°C /min?100°C / min的升温速率加热至1200°C /min?1700°C烧结0. 1小时?4小时，得到钛硅碳块体陶瓷 材料。
[0008] 所述的钛娃碳原料粉的质量纯度优选大于等于95%，可以包括少量杂质，例如固溶 铝、TiC杂质等；
[0009] 所述的钛硅碳原料粉粒度优选为50?1000目；
[0010] 所述的模具材料不限，包括但不限于不锈钢等。
[0011] 所述的无压烧结炉指烧结过程中对烧结材料不施加压力的烧结设备，包括但不限 于管式炉、马弗炉、微波烧结炉等。
[0012] 所述的惰性气体包括但不限于氩气、氦气等；
[0013] 作为优选，在30MPa?50MPa的压力下冷压成坯体；
[0014] 作为优选，在200MPa?300MPa的压力下冷等静压成型；
[0015] 作为优选，所述的升温速率为5°C /min?50°C /min,进一步优选为10°C /min? 30 °C /min ；
[0016] 作为优选，所述的加热温度为1300°C /min?1500°C，所述的烧结时间为0. 5小 时?2小时。
[0017] 综上所述，本发明以1135冗2粉为原料，结合冷压成坯、冷等静压成型，以及无压烧 结的工艺，通过优化工艺条件，制得了致密的钛硅碳陶瓷块体材料，同时，为了抑制了烧结 过程中Ti 3SiC2的分解，采用将成型后的钛硅碳样品包埋在Ti3SiC2粉或者SiC粉中的方法 而获得了高纯度的钛硅碳陶瓷块体材料。实验证实，采用本发明的方法在低成本、低能耗的 条件下制得了致密的钛硅碳陶瓷块体材料，其晶粒尺寸达到5 μ m?100 μ m，并且块体材料 的形状多样，即能够制得片状、条状、环状等多种形状的陶瓷块体材料，其中片状材料的尺 寸能够达到Φ (13?100) X (2?50)mm3。因此，与现有的制备方法相比，本发明提供的制 备方法大大降低了钛硅碳陶瓷块体材料的制备成本与能耗，并且实现了该块体材料的形状 多样化，是一种具有良好应用前景的制备方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明实施例1中制得的钛硅碳陶瓷块体材料的外观图；
[0019] 图2是本发明实施例1中制得的钛硅碳陶瓷块体材料的X-射线衍射图谱；
[0020] 图3为本发明实施例1中制得的钛硅碳陶瓷块体材料的断口扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施 例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0022] 实施例1 :
[0023] 原料采用粒度为300目左右的钛硅碳粉，该钛硅碳粉质量纯度为95%，其中含少量 固溶铝杂质，将原料装入直径为15mm的圆柱型不锈钢模具中，在50MPa的压力下冷压成坯 体，然后在250MPa压力下冷等静压成型。将成型后的样品包埋在钛硅碳粉中，放入微波烧 结炉中，在通有氩气保护的条件下以20°C /min的升温速率加热至1400°C，烧结1小时，得 到如图1所示的钛硅碳片状块体材料，由于烧结后样品直径略有收缩，该块体材料的直径 为13. 5_，厚度为3. 2_，即尺寸为Φ 13. 5 X 3. 2mm3。
[0024] 将上述制得的钛硅碳块体材料进行X-射线衍射分析，结果如图2所示，其主要成 分为Ti 3SiC2，此外还有少量氧化物存在，未发现Ti3SiC2的分解产物TiC。
[0025] 上述制得的钛硅碳块体材料的断口扫描电镜照片如图3所示，可以看出该块体烧 结材料结构致密。对该钛硅碳块体材料进行密度测试，测试方法为阿基米德法，得到该块体 烧结产物的致密度为95. 15%。
[0026] 实施例2 :
[0027] 原料采用粒度为300目左右的钛硅碳粉，该钛硅碳粉质量纯度为96%，其中含少量 TiC杂质，将原料装入直径为15mm的圆柱型不锈钢模具中，在30MPa的压力下冷压成坯体， 然后在300MPa压力下冷等静压成型。将成型后的样品包埋在钛硅碳粉中以后放入无压烧 结炉中，在通有氩气保护的条件下以l〇°C /min的升温速率加热至1600°C，烧结2小时，得 到类似图1所示的片状钛硅碳块体材料，该块体材料的尺寸为Φ 13. 3X3. 3mm3。
[0028] 将上述制得的钛硅碳块体材料进行X-射线衍射分析，结果类似图2所示，其主要 成分为Ti 3SiC2，此外还有少量氧化物存在，Ti3SiC2未发生分解。
[0029] 上述制得的钛硅碳块体材料的断口扫描电镜照片类似图3所示，可以看出该块体 烧结材料结构致密。对该钛硅碳块体材料进行密度测试，测试方法为为阿基米德法，得到该 块体烧结产物致密度为95. 27%。
[0030] 实施例3 :
[0031] 原料采用粒度为300目左右的钛硅碳粉，该钛硅碳粉质量纯度为95%，其中含少量 固溶铝杂质。将原料装入直径为25mm的圆柱型不锈钢模具中，在50MPa的压力下冷压成坯 体，然后在300MPa压力下冷等静压成型。将成型后的样品包埋在碳化硅粉中以后放入微波 烧结炉中真空烧结，以30°C /min的升温速率加热至1500°C烧结2小时，得到类似图1所示 的片状钛硅碳块体材料，该块体材料的尺寸为Φ 22. 5X4. 2mm3。
[0032] 将上述制得的钛硅碳块体材料进行X-射线衍射分析，结果类似图2所示，其主要 为Ti 3SiC2，此外还有少量氧化物存在，未发现Ti3SiC2的分解产物TiC。
[0033] 上述制得的钛硅碳块体材料的断口扫描电镜照片类似图3所示，可以看出该块体 烧结材料结构致密。对该钛硅碳块体材料进行密度测试，测试方法为阿基米德法，得到该块 体烧结产物致密度为91. 46%。
[0034] 实施例4 :
[0035] 本实施例中，原料及制备方法基本与实施例1相同，所不同的是模具为横截面是 长方形的柱状结构，得到的钛硅碳块体材料呈条状结构。
[0036] 实施例5 :
[0037] 本实施例中，原料及制备方法基本与实施例1相同，所不同的是模具为横截面是 环形的环状结构，得到的钛硅碳块体材料呈环状结构。
[0038] 以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅 为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、 补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法，其特征是：以钛硅碳粉为原料，将 原料装入模具中，在20MPa?80MPa的压力下冷压成坯体，然后在150MPa?300MPa的压 力下冷等静压成型，再将成型后的样品包埋在钛硅碳粉或者SiC粉中以后放入无压烧结 炉中，在惰性气体保护条件或真空条件下以2°C /min?100°C /min的升温速率加热至 1200°C /min?1700°C烧结0. 1小时?4小时，得到钛硅碳块体陶瓷材料。
2. 根据权利要求1所述的无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法，其特征是：所述 的钛硅碳原料粉的质量纯度大于等于95%。
3. 根据权利要求1所述的无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法，其特征是：所述 的钛硅碳原料粉的粒度为50?1000目。
4. 根据权利要求1所述的无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法，其特征是：所述 的无压烧结炉包括管式炉、马弗炉、微波烧结炉。
5. 根据权利要求1所述的无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法，其特征是：在 30MPa?50MPa的压力下冷压成坯体。
6. 根据权利要求1所述的无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法，其特征是：在 200MPa?300MPa的压力下冷等静压成型。
7. 根据权利要求1所述的无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法，其特征是：所述 的升温速率为5°C /min?50°C /min。
8. 根据权利要求1所述的无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法，其特征是：所述 的升温速率为l〇°C /min?30°C /min。
9. 根据权利要求1所述的无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法，其特征是：所述 的加热温度为1300°C /min?1500°C。
10. 根据权利要求1所述的无压烧结制备钛硅碳陶瓷块体材料的方法，其特征是：所述 的烧结时间为〇. 5小时?2小时。
【文档编号】C04B35/56GK104058749SQ201310093359
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月21日 优先权日:2013年3月21日
【发明者】李方志, 汪乾, 胡春峰, 黄庆, 张海斌 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所