专利名称：一种利用熔盐法制备铝碳二铬粉体的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用熔盐法制备高纯铝碳二铬(Cr2AlC)粉体的方法，更确切的说是采用铬粉，铝粉和石墨为原料，通过熔盐法，制备Cr2AlC相的重量百分含量大于90％的粉体。属于非氧基陶瓷粉体制备的领域。
背景技术：
Mn+1AXn系(M为过渡族金属元素，A为IIIA或IVA族元素，X为C或N)是一类很有应用前景的结构功能一体化材料，因为它们既有金属的塑性，导电，导热和可加工性，同时又具有陶瓷的高强度，低密度以及优异的耐高温和抗氧化性能。
Nowotny及其合作者早在七十年代就对其做了报道(H.Nowotny，“Struktuchemie Einiger Verbindungen der Ubergangsmetalle mit den elementenC，Si，Ge，Sn”，Prog.Solid State Chem.，H.Reiss，Ed.，2(1970)27)，其中有三十多种称为H相或Hgg相，化学组成为M2AX；还有三种M3AX2相，即Ti3SiC2，Ti3GeC2和Ti3AlC2。这些化合物均具有层状六方结构，此结构赋予材料性能上明显的各向异性特点。
近几年来，德国和瑞典科学家利用从头总能量计算法(Ab initio totalenergy calculations)对M2AlC(M＝Ti，V，Cr，Nb，Ta)化合物进行了一系列的理论计算Z.M.Sun，R.Ahuja，S.Li and J.M.Schneider，“Structure and BulkModulus of M2AlC(M＝Ti，V，and Cr)”，Appl.Phys.Lett.，83(2003)899，其中包括研究了M2AlC(M＝Ti，V，Cr)的体积模量，发现在Ti2AlC，V2AlC和Cr2AlC三个相中，Cr2AlC具有最高的体积模量(226GPa)，分别比Ti2AlC和V2AlC高出36％和15％。计算的结果表明，Cr2AlC不仅在M2AlC(M＝Ti，V，Cr，Nb，Ta)中具有最高的体积模量和弹性模量，这些值还分别高于Ti3SiC2的体积模量(185-206GPa)和弹性模量(333-339GPa)Z.M.Sun，S.Li，R.Ahuia and J.M.Schneider，“Calculated Elastic Properties of M2AlC(M＝Ti，V，Cr，Nb andTa)”，Solid States Communication，129(2004)589。另一方面，Cr2AlC在氧化过程中容易形成抗氧化的Al2O3和Cr2O3保护层，因此可以预期它可能具有优良的抗氧化性能；同时较高的Cr和Al含量增加了材料中金属键的含量，有望提高材料的塑性。因此，Cr2AlC很有可能成为新的有用三元层状碳化物材料。
从Ti3SiC2的研究过程我们注意到，由于相图中Ti3SiC2单相区非常狭小，导致纯相致密块体的制备非常困难，所以很多研究小组开展Ti3SiC2粉体的制备研究，希望从另外一个途径达到制备块材的目的。主要制备方法有真空无压烧结Songlan Yang，ZhenMing Sun，Hitoshi Hashimoto，Toshihiko Abe，Synthesis of single-phase Ti3SiC2，Journal of European Ceramic Society，23(2003)3147-3152，固—液反应工艺Y.Zhang，Y.C.Zhou，Y.Y.Li，Solid-liquidsynthesis of Ti3SiC2 particulate by fluctuation procedure，Scripta Materialia，49(2003)249-253和涨落方法Zhimei Sun，Yanchun Zhou，Fluctuation synthesisand characterization of Ti3SiC2 powders，Mat Res Innovat(1999)2227-231，然而，迄今为止，国内外均无关于Cr2AlC粉体制备的研究报导。
熔盐法是将所需组分的反应物与盐按一定比例混合，再将混合物加热到使盐熔化，反应物在盐的熔体中进行反应生成产物，冷却后经去离子水清洗除去其中的盐分得到纯净产物的一种粉体合成方法。用熔盐法合成粉体具有低温、快速、稳定和晶粒形貌可控等优点，通过调节盐的含量、初始反应物的配比以及反应温度和时间等工艺条件，可以合成其它方法难以合成的符合化学计量比的复杂的化合物粉体。
本发明人试图提出一种熔盐法制备Cr2AlC粉体的工艺，一方面，将熔盐法引入到MAX系列化合物的粉体制备中来，可以通过简单的熔盐工艺快速得到纯度较高的Cr2AlC粉体；另一方面，可以为MAX系列材料的大规模应用和生产提供一个简单易行的方案。所以本发明的构思具有一定的学术意义和应用背景。
发明内容
本发明目的是提供一种Cr2AlC粉体的制备方法，用本发明提供的方法制备的Cr2AlC粉体主相的质量百分含量大于90％。
本发明的是通过下列方式实施的。即采用铬粉，铝粉和石墨为原料，通过控制熔盐法的条件进行粉体制备。
具体实施方法(1)原料包括铬粉(中位粒径，D50为5μm，纯度为99.95％)，铝粉(中位粒径，D50为5μm，纯度为3μm，99.95％)和碳粉(中位粒径，D50为5μm，纯度为5μm，99％)。将粉末按照Cr2AlC的化学计量比配比，且过量10～15at％的铝粉；将NaCl和KCl按照1∶1称量(NaCl和KCl的纯度为99％)；并将原料和盐按照质量比1∶1，1∶2混合，以无水乙醇为溶剂，用Al2O3或Si3N4球球磨，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。
(2)制备将混合均匀的原料置于Al2O3坩埚中，再将坩埚放入石墨炉中，然后通入流动的Ar作为保护气氛，以10～40℃/min的升温速率升温到900-1200℃，保温1-4小时合成，最后以5～60℃/min冷却。待粉料冷却后取出，用去离子水洗去盐份，直到滴定AgNO3溶液无沉淀，烘干即制得Cr2AlC粉体。
(3)且用XRD衍射图谱检验粉体的制备效果，本发明所述的中位粒径，也即D50是指一种粉体的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径，其物理意义是粒径大于它的颗粒占50％，小于它的颗粒也占50％，D50常用来表示粉体的平均粒度。中位粒径也可称之中位径或中值粒径。
本发明的优点是(1)制备温度低，所制备的粉体中Cr2AlC相的重量百分含量大于90％，粉体活性好。既可以实验研究，也可以达到工业生产的要求。
(2)制备工艺简便易行，设备要求并不苛刻，原料为便宜的商用原料，所使用的熔盐可以回收利用，利于环保。
图1是本发明提供的实施例1所制备的Cr2AlC粉体的XRD图谱。
图2是本发明提供的实施例2所制备的Cr2AlC粉体的XRD图谱。
图3是本发明提供的实施例3所制备的Cr2AlC粉体的XRD图谱。
图4是本发明提供的实施例4所制备的Cr2AlC粉体的XRD图谱。
图5是本发明提供的实施例5所制备的Cr2AlC粉体的XRD图谱。
具体实施例方式
实施例1以铬粉(5μm，99.95％)，铝粉(3μm，99.95％)和碳粉(5μm，99％)为原料。将粉末按照Cr2AlC的化学计量比配比，并过量10at％的铝粉；将NaCl和KCl按照1∶1的重量比称量；并将原料和盐按照重量比1∶1混合，以无水乙醇为溶剂，用Si3N4球球磨，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。将混合均匀的原料置于Al2O3坩埚中，再将坩埚放入石墨炉中，然后通入流动的Ar作为保护气氛，以10℃/min的升温速率升温到900℃，保温1小时，最后以5℃/min冷却。待粉料冷却后取出，用去离子水洗去盐份，直到滴定AgNO3溶液无沉淀，烘干即制得Cr2AlC粉体。XRD图谱如图1所示，粉体中Cr2AlC相的重量百分含量为94％.
实施例2以铬粉(5μm，99.95％)，铝粉(3μm，99.95％)和碳粉(5μm，99％)为原料。将粉末按照Cr2AlC的化学计量比配比，并过量5at％的铝粉；将NaCl和KCl按照1∶1的重量比称量；并将原料和盐按照重量比1∶1混合，以无水乙醇为溶剂，用Al2O3或Si3N4球球磨，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。将混合均匀的原料置于Al2O3坩埚中，再将坩埚放入石墨炉中，然后通入流动的Ar作为保护气氛，以35℃/min的升温速率升温到1000℃，保温3hr，最后以60℃/min冷却。待粉料冷却后取出，用去离子水洗去盐份，直到滴定AgNO3溶液无沉淀，烘干即制得Cr2AlC粉体。XRD图谱如图2所示，粉体中Cr2AlC相的重量百分含量为92％.
实施例3以铬粉(5μm，99.95％)，铝粉(3μm，99.95％)和碳粉(5μm，99％)为原料。将粉末按照Cr2AlC的化学计量比配比，并过量10at％的铝粉；将NaCl和KCl按照1∶1的重量比称量；并将原料和盐按照重量比1∶1混合，以无水乙醇为溶剂，用Si3N4球球磨，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。将混合均匀的原料置于Al2O3坩埚中，再将坩埚放入石墨炉中，然后通入流动的Ar作为保护气氛，以35℃/min的升温速率升温到1000℃，保温1小时，最后以60℃/min冷却。待粉料冷却后取出，用去离子水洗去盐份，直到滴定AgNO3溶液无沉淀，烘干即制得Cr2AlC粉体。XRD图谱如图3所示，粉体中Cr2AlC相的重量百分含量为93％.
实施例4以铬粉(5μm，99.95％)，铝粉(3μm，99.95％)和碳粉(5μm，99％)为原料。将粉末按照Cr2AlC的化学计量比配比，并过量15at％的铝粉；将NaCl和KCl按照1∶1的重量比称量；并将原料和盐按照重量比1∶1混合，以无水乙醇为溶剂，用Si3N4球球磨，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。将混合均匀的原料置于Al2O3坩埚中，再将坩埚放入石墨炉中，然后通入流动的Ar作为保护气氛，以35℃/min的升温速率升温到1200℃，保温1小时，最后以60℃/min冷却。待粉料冷却后取出，用去离子水洗去盐份，直到滴定AgNO3溶液无沉淀，烘干即制得Cr2AlC粉体。XRD图谱如图4所示，粉体中Cr2AlC相的重量百分含量为97％.
实施例5以铬粉(5μm，99.95％)，铝粉(3μm，99.95％)和碳粉(5μm，99％)为原料。将粉末按照Cr2AlC的化学计量比配比，并过量10at％的铝粉；将NaCl和KCl按照1∶1的重量比称量；并将原料和盐按照重量比1∶2混合，以无水乙醇为溶剂，用Si3N4球球磨，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。将混合均匀的原料置于Al2O3坩埚中，再将坩埚放入石墨炉中，然后通入流动的Ar作为保护气氛，以35℃/min的升温速率升温到1000℃，保温2小时，最后以60℃/min冷却。待粉料冷却后取出，用去离子水洗去盐份，直到滴定AgNO3溶液无沉淀，烘干即制得Cr2AlC粉体。XRD图谱如图5所示，粉体中Cr2AlC相的重量百分含量为97％.。
权利要求
1.一种用熔盐法制备Cr2AlC粉体的方法，其特征在于(1)原料采用铬粉，铝粉和石墨，按照Cr2AlC的化学计量比配比，且过量5～15at％的铝粉；将NaCl和KCl按照摩尔比1∶1称量；并将原料和盐按照质量比1∶1或1∶2混合，以无水乙醇为溶剂球磨，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。(2)将步骤(1)中混合均匀的粉料置于Al2O3坩埚中，再将坩埚放入石墨炉中，然后通入流动的Ar作为保护气氛，升温到900-1200℃，保温1-4小时，最后冷却。待粉料冷却后取出，用去离子水洗去盐份，直到滴定AgNO3溶液无沉淀，烘干即制得Cr2AlC粉体。
2.按权利要求1所述的一种用熔盐法制备Cr2AlC粉体的方法，其特征在于(1)所述的铬粉，纯度为99.95％，中位粒径为5μm；(2)所述的铝粉，纯度为99.95％，中位粒径为3μm；(3)所述的石墨，纯度为99％，中位粒径为5μm；(4)所述的NaCl和KCl，纯度为为99％。
3.按权利要求1所述的一种用熔盐法制备Cr2AlC粉体的方法，其特征在于混合均匀的粉体升温到900-1200℃时的升温速率为10-40℃/min。
4.按权利要求1所述的一种用熔盐法制备Cr2AlC粉体的方法，其特征在于高温合成后的冷却时的速率为5-60C/min。
5.按权利要求1所述的一种用熔盐法制备Cr2AlC粉体的方法，其特征在于原料按化学计量的配比，以无水乙醇为溶剂球磨时使用Si3N4或Al2O3磨球。
6.按权利要求1～4中任意一项权利要求所述的一种熔盐法制备Cr2AlC粉体的方法，其特征在于所制备的粉体中，Cr2AlC相的质量百分含量大于90％。
全文摘要
本发明涉及一种利用熔盐法制备Cr
文档编号C04B35/56GK1884064SQ20061002883
公开日2006年12月27日 申请日期2006年7月12日 优先权日2006年7月12日
发明者田无边, 王佩玲, 张国军, 阚艳梅 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所