专利名称：制备Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>块体材料的方法
技术领域：
本发明涉及Ti、 Si、 C陶瓷块体的制备方法。
背景技术：
Ti3SiC2是一种新型三元层状化合物。它既具有陶瓷的诸多优点，比如高 模量(杨氏模量343GPa)，高强度等，同时也具有金属的某些性能，比如低硬 度，可加工，良好的导电导热性能，有较高的损伤容限。Ti3SiC2具有很低的 密度理论密度4.52g/cr^和优良的抗氧化性能，因此可以作为高温结构材料使 用。Ti3SiC2作为新型结构/功能一体化材料在航空、航天、电子工业和核工业
等领域具有广泛应用空间。虽然Ti3SiC2具有许多优良的综合性能及广阔的应 用前景，但是Ti3SiC2的制备极其困难，使得它的相关基础研究和应用受到限 制。目前，三元层状化合物Ti3SiC2块体主要是通过热压、热等静压等工艺制
备而成，以Ti、 SiC和C为原料，在160(TC， 40MPa下热等静压4小时获得
了高纯的Ti3SiC2块体材料。这一类制备Ti3SiC2块体材料的工艺都存在制备温
度高(1200~1600°C)、反应时间长(1~8小时)的缺陷，特别难以制备大尺寸 Ti3SiC2块体材料(直径大于50mm)，生产效率低；在制备过程中需要长时间 连续加热，消耗了大量的电能；工艺复杂，需要真空环境或氩气保护;生产设 备结构复杂，维护保养不便。
发明内容
本发明是为了解决目前制备Ti3SiC2块体材料都存在制备温度高、反应时
间长、特别是现有方法难以制备大尺寸材料的问题，而提供制备Ti3SiC2块体 材料的方法。
本发明制备Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤进行 一、按照摩尔比将 2.5 3.5摩尔的钛粉、l-x 1.5-x摩尔的硅粉、x摩尔的碳化硅粉和2-x摩尔的 碳粉混合，其中(Kx〈1，再加入无水乙醇湿混5 30小时，自然晾干；二、 向混合物料施加15 45MPa的压力10~15s，压成预制坯，将预制还放入钢制模 具中，钢制模具与预制坯之间的空隙用石英砂填充，在预制坯的上表面点火，
燃烧反应开始；三、燃烧结束后l 5s开始施加150 500MPa的压力，保压 10~15s，再将反应产物埋入石英砂冷却至室温即得到Ti3SiC2块体。
本发明中以上制备Ti3SiC2块体材料的方法中的钛粉、硅粉、碳化硅粉和
碳粉的纯度为98%以上；本发明以上方法可制备出直径小于、等于50mm，高 度为10~20mm的7138汇2块体材料。
本发明中以上制备Ti3SiC2块体材料的方法的步骤二中的点火需要在点火
点放置4~8g的点火剂，点火剂为Ti和C按摩尔比为1 1混合的混合粉末、 Ti和B按摩尔比为1 : 2混合的混合粉末或Ti和B4C按摩尔比为3 : 1混合的 混合粉末；步骤二中的钢制模具为《TiC-TiB2/Cu复合材料的自蔓延高温合成 研究》中的模具。
上述方法具有以下优点1、以低成本的Ti粉、Si粉、SiC粉和C粉为原 料；2、工艺成本低，无需长时间高温加热；3、生产效率高，主要的工艺过程 在5分钟内完成；4、通过燃烧合成/准等静压原位合成，反应和致密化一步完 成，获得致密的Ti3SiC2块体材料；5、工艺设备简单，维护保养方便；6、制 得的Ti3SiC2块体材料适合加工成长度或直径小于50mm的元件；7、产品经 X-射线衍射图谱测试，图谱如附图l所示，说明本发明制得的Ti3SiC2纯度高。
本发明另一种制备Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤进行 一、按照摩 尔比将2.5 3.5摩尔的钛粉、l-x 1.5-x摩尔的硅粉、x摩尔的碳化硅粉和2-x 摩尔的碳粉混合，其中0〈x〈1，再加入无水乙醇湿混5 30小时，自然晾干； 二、将混合物料放入钢制模具中，施加15 45MPa的压力10 15s，此时物料形 成一个圆柱形的坯体，在坯体的上放置一个石英砂饼，在石英砂饼的上放置厚 度为30mm的钢制垫块，电阻丝引线从垫块边缘引出并与点火装置连接上；三、 打开点火装置点火并使电阻丝通电发热，燃烧停止的时候立即对坯体施加 2000kN 5000kN的轴向压力5 60秒，取出产品，30秒内埋入石英砂冷却，冷 却20-30小时；即得到Ti3SiC2块体材料；步骤二的钢制模具为中国专利号为 ZL03132642.0的专利《燃烧合成反应器》中的钢制模具。
本发明另一种制备Ti3SiC2块体材料的方法的钛粉、硅粉、碳化硅粉和碳
粉的纯度为98%以上；本发明此种制备方法制备出的Ti3SiC2块体材料的直径 可达l50~240mm (直径大于50mm)、高度为10~20mm的Ti3SiC2块体材料。
本发明中制备Ti3SiC2块体材料的方法步骤一中加入无水乙醇作为分散剂
使物料混合均匀，使无水乙醇的液面没过物料；步骤三中的点火在圆柱体上表 面进行点火，可以是在上表面的中心点火，或是在上表面的选取三个互呈120 °角的半径中点同时点火，需要在点火点放置4~8g的点火剂，点火剂为Ti 和C按摩尔比为1 : 1混合的混合粉末、Ti和B按摩尔比为1 : 2混合的混合 粉末或Ti和B4C按摩尔比为3 : 1混合的混合粉末；步骤二的点火装置由一个 能瞬间提供高达100A的电流的电源和铜导线组成，铜导线连接电阻丝；步骤 二中的电阻丝的直径为0.1~0.5mm、长为15mm 25mm。
本发明的特点1、以低成本的Ti粉、Si粉、SiC粉和C粉为原料；2、 工艺成本低，无需长时间高温加热；3、生产效率高，主要的工艺过程在5分 钟内完成；4、通过燃烧合成/准等静压原位合成，反应和致密化一步完成，获 得致密的Ti3SiC2块体材料；5、工艺设备简单，维护保养方便；6、可以获得 直径最高达240mm的块体材料。
图1为具体实施方式
十四制得的Ti3SiC2块体的X-射线衍射谱图。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式制备Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤进 行 一、按照摩尔比将2.5 3.5摩尔的钛粉、l-x 1.5-x摩尔的硅粉、x摩尔的 碳化硅粉和2-x摩尔的碳粉混合，其中0<乂< 1，再加入无水乙醇湿混5 30 小时，自然晾干；二、向混合物料施加15 45MPa的压力10 15s，压成预制坯， 将预制坯放入钢制模具中，钢制模具与预制坯之间的空隙用石英砂填充，在预 制坯的上表面点火，燃烧反应开始;三、燃烧结束后1 5s开始施加150 500MPa 的压力，保压10 15s，再将反应产物埋入石英砂冷却至室温即得到Ti3SiC2 块体。
本实施方式步骤一中加入无水乙醇作为分散剂使物料混合均匀，使无水乙 醇的液面没过物料l-5mm。
本实施方式步骤一中钛粉、硅粉、碳化硅粉和碳粉的纯度为98%以上。 本实施方式制得的Ti3SiC2块体材料直径为30 50mm，高度为10 20mm。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤一中 0.2<x<0.5。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤一中x =0.25。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤一中加 入无水乙醇湿混10~25小时。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤一中加
入无水乙醇湿混15~20小时。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤一中加 入无水乙醇湿混18小时。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤二中向
混合物料施加20 40MPa的压力11 14s。其它步骤及参数与具体实施方式
一相 同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤二中向
混合物料施加25 35MPa的压力12 13s。其它步骤及参数与具体实施方式
一相 同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤二中向 混合物料施加30MPa的压力12s。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤三中施
加200 450MPa的压力，保压11 14s。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤三中 施加280 400MPa的压力，保压12~13s。其它步骤及参数与具体实施方式
一相 同。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤三中
施加330MPa的压力，保压13s。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤二中
的点火需要在点火点放置4 8g的点火剂，点火剂为Ti和C按摩尔比为1 : 1 混合的混合粉末、Ti和B按摩尔比为1 : 2混合的混合粉末或Ti和B4C按摩 尔比为3 : l混合的混合粉末。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
一的不同点是步骤二中
的钢制模具为《TiC-TiB2/Cu复合材料的自蔓延高温合成研究》中的模具。其 它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
十五本实施方式制备Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤 进行 一、按照摩尔比将3摩尔的钛粉、0.5摩尔的硅粉、0.6摩尔的碳化硅粉 和1.4摩尔的碳粉混合，再加入无水乙醇湿混5~30小时，自然晾干；二、向 混合物料施加27MPa的压力15s，压成预制坯，将预制坯放入钢制模具中，钢
制模具与预制坯之间的空隙用石英砂填充，在预制坯的上表面点火，燃烧反应 开始；三、燃烧结束后1 5s开始施加420MPa的压力，保压12s,再将反应产 物埋入石英砂冷却至室温即得到Ti3SiC2块体；步骤二中的钢制模具为 《TiC-TiB2/Cu复合材料的自蔓延高温合成研究》中的模具。
本实施方式步骤一中按常规的量加入无水乙醇作为分散剂使物料混合均 匀，使无水乙醇的液面没过物料2mm。
本实施方式步骤一中钛粉、硅粉、碳化硅粉和碳粉的纯度为98%以上。 本实施方式步骤二中的点火需要在点火点放置5g的点火剂，点火剂为Ti 和C按摩尔比为1 : 1混合的混合粉末。
本实施方式制得的Ti3SiC2块体材料直径为50mm、高度为15mm。 本实施方式制得的Ti3SiC2块体材料经过X-射线衍射检验其结构和纯度， 测试的谱图如图1所示，图1说明本实施方式制得的Ti3SiC2块体材料纯度高， 图中"參"峰代表Ti3SiC2峰，"■"峰代表杂质峰，制得的Ti3SiC2块体材料
纯度为98.7%。
具体实施方式
十六本实施方式制备Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤
进行 一、按照摩尔比将2.5 3.5摩尔的钛粉、l-x 1.5-x摩尔的硅粉、x摩尔 的碳化硅粉和2-x摩尔的碳粉混合，其中(Kx〈1，再加入无水乙醇湿混5 30 小时，自然晾干；二、将混合物料放入钢制模具中，施加15~45MPa的压力 10 15s，此时物料形成一个圆柱形的坯体，在坯体的上放置一个石英砂饼，在 石英砂饼的上放置厚度为30mm的钢制垫块，电阻丝引线从垫块边缘引出并与 点火装置连接上；三、打开点火装置点火并使电阻丝通电发热，燃烧停止的时 候立即对坯体施加2000kN 5000kN的轴向压力5~60秒，取出产品，30秒内
埋入石英砂冷却，冷却20 30小时；即得到Ti3SiC2块体材料；步骤二的钢制
模具为中国专利号为ZL03132642.0的专利《燃烧合成反应器》中的钢制模具。 本实施方式步骤一中加入无水乙醇作为分散剂使物料混合均匀，使无水乙
醇的液面没过物料l~5mm。
本实施方式步骤一中的钛粉、硅粉、碳化硅粉和碳粉的纯度为98%以上。 本实施方式制得的Ti3SiC2块体材料直径为150~240mm、高度为
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具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤一 中0.2<\<0.5。其它步骤及参数与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
十八本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤一 中X-0.25。其它步骤及参数与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
十九本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤一 中加入无水乙醇湿混10~25小时。其它步骤及参数与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
二十本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤一 中加入无水乙醇湿混15~20小时。其它步骤及参数与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
二十一本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤 一中加入无水乙醇湿混18小时。其它步骤及参数与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
二十二本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤
二中施加20 40MPa的压力11 14s。其它步骤及参数与具体实施方式
十六相 同。
具体实施方式
二十三本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤 二中施加25 35MPa的压力12 13s。其它步骤及参数与具体实施方式
十六相 同。
具体实施方式
二十四本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤 二中施加30MPa的压力12s。其它步骤及参数与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
二十五本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤 三中对坯体施加3000kN 4000kN的轴向压力20~40秒。其它步骤及参数与具 体实施方式十六相同。
具体实施方式
二十六本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤 三中对坯体施加3500kN的轴向压力30秒。其它步骤及参数与
具体实施例方式
十六相同。
具体实施方式
二十七本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤 三中冷却22~28小时。其它步骤及参数与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
二十八本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤 三中冷却25小时。其它步骤及参数与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
二十九本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤 三中的点火在圆柱体上表面进行点火，是在上表面的中心点火，或是在上表面 的选取三个互呈120°角的半径中点同时点火，需要在点火点放置4~8g的点 火剂，点火剂为Ti和C按摩尔比为1 : 1混合的混合粉末、Ti和B按摩尔比 为1 : 2混合的混合粉末或Ti和B4C按摩尔比为3 : 1混合的混合粉末。其它 步骤及参数与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
三十本实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤二
的点火装置由一个能瞬间提供高达100A的电流的电源和铜导线组成，铜导线
连接电阻丝。其它步骤及参数与具体实施方式
十六相同。
具体实施方式
三十一实施方式与具体实施方式
十六的不同点是步骤二
中的电阻丝的直径为0.1~0.5mm、长为15mm 25mm。其它步骤及参数与具体 实施方式十六相同。
权利要求
1、制备Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于制备Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤进行一、按照摩尔比将2.5～3.5摩尔的钛粉、1-x～1.5-x摩尔的硅粉、x摩尔的碳化硅粉和2-x摩尔的碳粉混合，其中0＜x＜1，再加入无水乙醇湿混5～30小时，自然晾干；二、向混合物料施加15～45MPa的压力10～15s，压成预制坯，将预制坯放入钢制模具中，钢制模具与预制坯之间的空隙用石英砂填充，在预制坯的上表面点火，燃烧反应开始；三、燃烧结束后1～5s开始施加150～500MPa的压力，保压10～15s，再将反应产物埋入石英砂冷却至室温即得到Ti3SiC2块体。
2、 根据权利要求l所述的制备Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于步骤 一中0.2<x<0.5。
3、 根据权利要求l所述的制备Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于步骤 二中向混合物料施加25 35MPa的压力12~13s。
4、 根据权利要求l所述的制备Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于步骤 三中施加330MPa的压力，保压13s。
5、 根据权利要求l所述的制备Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于步骤 二中的点火需要在点火点放置4 8g的点火剂，点火剂为Ti和C按摩尔比为1:1混合的混合粉末、Ti和B按摩尔比为1 : 2混合的混合粉 W Ti和B4C按 摩尔比为3 1混合的混合粉末。
6、 制备Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于制备Ti3SiC2块体材料的方 法按如下步骤进行 一、按照摩尔比将2.5 3.5摩尔的钛粉、l-x 1.5-x摩尔的 硅粉、x摩尔的碳化硅粉和2-x摩尔的碳粉混合，其中0< x < 1，再加入无水 乙醇湿混5 30小时，自然晾干；二、将混合物料放入钢制模具中，施加 15~45MPa的压力10~15s,此时物料形成一个圆柱形的坯体，在坯体的上放置 一个石英砂饼，在石英砂饼的上放置厚度为30mm的钢制垫块，电阻丝引线从 垫块边缘引出并与点火装置连接上；三、打开点火装置点火并使电阻丝通电发 热，燃烧停止的时候立即对坯体施加2000kN 5000kN的轴向压力5~60秒，取 出产品，30秒内埋入石英砂冷却，冷却20 30小时；即得到Ti3SiC2块体材料； 步骤二的钢制模具为中国专利号为ZL03132642.0的专利《燃烧合成反应器》中的钢制模具。
7、 根据权利要求6所述的制备Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于步骤一中x=0.25。
8、 根据权利要求6所述的制备Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于步骤二中施加30MPa的压力12s。
9、 根据权利要求6所述的制备Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于步骤三中对坯体施加3000kN 4000kN的轴向压力20~40秒。
10、 根据权利要求6所述的制备Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于步骤二的点火装置由一个能瞬间提供高达100A的电流的电源和铜导线组成，铜 导线连接电阻丝。
全文摘要
制备Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>块体材料的方法，它涉及Ti、Si、C陶瓷块体的制备方法。本发明解决了目前制备Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>块体材料都存在制备温度高、反应时间、特别是现有方法难以制备大尺寸材料的问题。本发明制备Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>块体材料的方法按如下步骤进行一、混合；二、加压、点火；三、加压、冷却；即得到Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>块体。本发明另一种制备Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>块体材料的方法按如下步骤进行一、混合；二、加压；三、点火、加压、冷却；即得到Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>块体材料。本发明具有工艺成本低、无需长时间高温加热、可制备直径达240mm的块体材料。
文档编号C01B31/00GK101186296SQ20071014480
公开日2008年5月28日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者朱春城, 柏跃磊, 赫晓东 申请人:哈尔滨工业大学