专利名称：一种氧化铝颗粒增强铝碳化钛基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及陶瓷基复合材料及制备方法，具体为一种原位热压/固-液相反应制备氧化铝(Al2O3)颗粒增强铝碳化钛(Ti3AlC2)基复合材料及其制备方法。
背景技术：
Ti3AlC2是一种新型的三元层状陶瓷材料。文献1材料学报(Acta Materialia50，3141(2002))中研究表明它综合了陶瓷和金属的诸多优点，具有高模量、低硬度、高的电导率和热导率以及易加工等特点，因而具有广阔的应用前景。但作为一种结构材料，它的强度和硬度偏低，限制了其广泛应用。引入硬质陶瓷颗粒是提高三元层状陶瓷强度的有效方法之一，目前还没有Ti3AlC2强化方面的报道。已有的工作只集中在对另一种与Ti3AlC2结构和性能相似的层状陶瓷Ti3SiC2的颗粒强化上。碳化钛、碳化硅和氧化铝作为强化相被加入或原位合成制备Ti3SiC2基复合材料，但是性能上存在许多矛盾的结论。例如，同样是一种Ti3SiC2/Al2O3复合材料，美国陶瓷学会会刊(Journal of American Ceramic Society 85，3099(2002))中Luo等人的研究表明随着氧化铝加入量的增多，复合材料的抗弯强度逐渐下降；而国际陶瓷(Ceramic International 28，931(2002))中Wang等人的研究结果表明加入氧化铝后复合材料的强度增加。另一方面，上述Ti3SiC2/Al2O3复合材料的制备都是采用先合成硅碳化钛(Ti3SiC2)粉体，再与氧化铝混合烧结，工艺比较复杂，而且在后续烧结过程中不可避免地产生碳化钛杂质，将会影响材料的高温抗氧化性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种力学性能好、纯度高、操作简单、工艺条件容易控制、成本低的氧化铝颗粒增强铝碳化钛基(Ti3AlC2/Al2O3)复合材料及其制备方法。
本发明的技术方案是一种氧化铝颗粒增强铝碳化钛基复合材料，由氧化铝(Al2O3)颗粒增强相和铝碳化钛(Ti3AlC2)基体组成，其中氧化铝颗粒增强相的体积百分数为5～30％。
所述氧化铝颗粒增强铝碳化钛基复合材料的制备方法，以单质钛粉、铝粉、石墨粉以及氧化铝粉作为原料，其中Ti∶Al∶C的摩尔比为3∶(0.9～1.1)∶(1.8～2.0)，氧化铝粉按预定体积比添加，原料粉经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中冷压，施加的压强为10～20MPa，在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为5～50℃/分钟，烧结温度为1400～1600℃、烧结时间为0.5～2小时、烧结压强为20～40MPa。本发明可以制备出具有高纯度、高强度、高韧性、耐高温和可加工等综合性能的氧化铝颗粒增强钛碳化铝基复合材料。
所述加入的钛粉、铝粉、石墨粉粒度范围为200～400目，加入的氧化铝颗粒直径为0.1～10微米；所述烧结方式为热压烧结或热等静压烧结；所述惰性气体为氩气、氦气或氖气；所述物理机械方法混合采用在酒精介质下的球磨法。
本发明的优点是2l、纯度高、力学性能好。采用本发明方法制备的Ti3AlC2/Al2O3复合材料只由铝碳化钛和氧化铝两相组成，不含其它杂质，如碳化钛等。这就充分发挥了氧化铝的强化优势，既提高了材料的力学性能，又能保证材料在高温应用中抗氧化性不会下降，甚至有所增强。利用本发明，氧化铝粒子可以均匀分布在钛碳化铝基体中，也会使增强效果大大增强。Ti3AlC2/Al2O3复合材料的硬度、压缩强度、抗拉强度均比纯Ti3AlC2提高30～80％，尤其是当增强相的含量为10vol.％左右时，材料的断裂韧性达到8.8MPa·m1/2，比纯Ti3AlC2提高了约20％。另外，实验证明在高温下，Ti3AlC2/Al2O3复合材料仍然能够保持上述增强效果。
2、工艺简单，成本低。本发明是通过原位热压/固-液相反应，烧结与致密化同时进行，同时，由于氧化铝十分稳定，在烧结过程中不参与反应，从而最终获得Ti3AlC2/Al2O3复合材料。由于在烧结过程中有液相的出现，利用液相的快速传质过程，使化学反应时间大大缩短，又使致密化过程变得非常容易。相对于先合成两相陶瓷，再混合烧结，既使工艺流程变得简单，又节省了费用。
图1为Ti3AlC2/10vol.％Al2O3复合材料抛光后的背散射电子照片。
图2为Ti3AlC2/10vol.％Al2O3复合材料的弯曲断口扫描电镜照片。
图3为Ti3AlC2和Ti3AlC2/10vol.％Al2O3复合材料的室温和高温抗弯强度的对比。横梁速度为0.5mm/min。
具体实施例方式
下面通过实例详述本发明。
实施例1将粒度范围为200～400目的钛粉140.5克、铝粉28.01克、石墨21.28克和9.48克氧化铝粉(5vol.％，颗粒直径为2～5微米)在酒精介质中球磨8小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10MPa，放入热压炉中热压烧结。升温速率为10℃/分钟，加热到1500℃保温1小时，同时压力逐渐加到25MPa。整个烧结过程都是在氩气保护下进行，获得的反应产物经X射线衍射分析为Ti3AlC2和Al2O3。阿基米德法测得的密度为4.18g/cm3，为理论密度的99.2％。Ti3AlC2/5vol.％Al2O3复合材料的维氏硬度为3.93GPa；压缩强度为781MPa；抗弯强度为386MPa，断裂韧度为8.5MPa·m1/2。
实施例2将粒度范围为200～400目的钛粉135.4克、铝粉23.52克、石墨22.08克和19克氧化铝粉(10vol.％，颗粒直径为5～10微米)在酒精介质中球磨16小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为15MPa，放入热压炉中热压烧结。升温速率为20℃/分钟，加热到1550℃保温1小时，同时压力逐渐加到30MPa。整个烧结过程都是在氩气保护下进行，获得的反应产物经X射线衍射分析为Ti3AlC2和Al2O3。阿基米德法测得的密度为4.17g/cm3，为理论密度的99.5％。Ti3AlC2/10vol.％Al2O3复合材料的维氏硬度为4.46GPa；压缩强度为879MPa；抗弯强度为423MPa，断裂韧度为8.8MPa·m1/2。1100℃的抗弯测试表明Ti3AlC2/10vol.％Al2O3复合材料的抗弯强度为236.1MPa。
实施例3将粒度范围为200～400目的钛粉119.24克、铝粉24.48克、石墨19.86克和38.22克氧化铝粉(20vol.％，颗粒直径为0.1～2微米)在酒精介质中球磨24小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为20MPa，放入热压炉中热等静压烧结。升温速率为50℃/分钟，加热到1600℃保温1小时，同时压力逐渐加到40MPa。整个烧结过程都是在氩气保护下进行，获得的反应产物经X射线衍射分析为Ti3AlC2和Al2O3。阿基米德法测得的密度为4.15g/cm3，为理论密度的99.6％。Ti3AlC2/20vol.％Al2O3复合材料的维氏硬度为5.47GPa；压缩强度为1138MPa；抗弯强度为500MPa，断裂韧度为7.1Mpa·m1/2。
比较例采用与实施例2相同的工艺制备了纯Ti3AlC2，阿基米德法测得的密度为4.21g/cm3，为理论密度的99.1％；维氏硬度为3.5GPa；压缩强度为749MPa；抗弯强度为356MPa，断裂韧度为7.2MPa·m1/2。1100℃的抗弯强度为133MPa.各项力学性能指标均远低于Ti3AlC2/Al2O3复合材料。下面以Ti3AlC2/10vol.％Al2O3复合材料为例，具体说明加入氧化铝后材料的组织和性能变化。
图1为Ti3AlC2/10vol.％Al2O3复合材料抛光后的背散射电子照片。灰亮色的相为Ti3AlC2基体，灰黑色的相为Al2O3颗粒。由图可见增强相粒子可以均匀分布于基体中。图2为Ti3AlC2/10vol.％Al2O3复合材料的弯曲断口扫描电镜照片，更加清楚的表明氧化铝粒子既分布于Ti3AlC2的晶界处，也可以存在于晶粒内，这就提高了颗粒强化的效果。这一点与背景技术中提到的其它复合材料的制备方法显著不同，前者氧化铝粒子只能存在于Ti3AlC2的晶界处。
图3为Ti3AlC2和Ti3AlC2/10vol.％Al2O3复合材料的室温和高温抗弯强度的对比。可见加入氧化铝粒子以后不但提高了Ti3AlC2的室温强度，而且这种强化可以保持到高温，甚至是1100℃。
由实施例1、实施例2、实施例3和比较例可见，本方法制备的Ti3AlC2/Al2O3复合材料具有纯度高、致密度高、力学性能好的优点，加入氧化铝颗粒提高了钛碳化铝的室温和高温强度。
权利要求
1.一种氧化铝颗粒增强铝碳化钛基复合材料，其特征在于由氧化铝颗粒增强相和铝碳化钛基体组成，其中氧化铝颗粒增强相的体积百分数为5～30％。
2.按照权利要求1所述氧化铝颗粒增强铝碳化钛基复合材料的制备方法，其特征在于以单质钛粉、铝粉、石墨粉以及氧化铝粉作为原料，其中Ti∶Al∶C的摩尔比为3∶(0.9～1.1)∶(1.8～2.0)，氧化铝粉按预定体积比添加，原料粉经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中冷压，施加的压强为10～20MPa，在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为5～50℃/分钟，烧结温度为1400～1600℃、烧结时间为0.5～2小时、烧结压强为20～40MPa。
3.按照权利要求2所述氧化铝颗粒增强铝碳化钛基复合材料的制备方法，其特征在于所述氧化铝颗粒增强相的体积百分比为5～30％。
4.按照权利要求2所述氧化铝颗粒增强铝碳化钛基复合材料的制备方法，其特征在于所述加入的氧化铝颗粒直径为0.1～10微米，加入的钛粉、铝粉、石墨粉粒度范围为200～400目。
5.按照权利要求2所述氧化铝颗粒增强铝碳化钛基复合材料的制备方法，其特征在于所述烧结方式为热压烧结或热等静压烧结。
6.按照权利要求2所述氧化铝颗粒增强铝碳化钛基复合材料的制备方法，其特征在于所述惰性气体为氩气、氦气或氖气。
7.按照权利要求2所述氧化铝颗粒增强铝碳化钛基复合材料的制备方法，其特征在于所述物理机械方法混合采用在酒精介质中球磨。
全文摘要
本发明涉及一种原位热压/固－液相反应制备Ti
文档编号C04B35/64GK1769240SQ20041005069
公开日2006年5月10日 申请日期2004年10月28日 优先权日2004年10月28日
发明者周延春, 陈继新 申请人:中国科学院金属研究所