专利名称：一种Ti的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料及其制备方法。
背景技术：
由一种或几种陶瓷相与金属相或合金所组成的金属陶瓷材料，既有金属的良好导电性和导热性、高的强度和韧性，又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等特性，在电工、化工、交通、机械等领域有广泛的用途。例如，用作导弹喷管衬套的氧化铝/钨/铬材料、用作透平叶片或切削刀具的碳化钛/钴(镍、铬)材料、用作电器触头的氧化锡/银材料。
钛铝碳(Ti3AlC2)是一种新型的三元碳化物陶瓷，由M.A.Pietzka和J.C.Schuster首次发现并在《J.Phase Equilib》1994年第15期392页公开报道。钛铝碳属于六方晶系，晶粒为层状结构、外形呈板状，理论密度为4.25g/cm3。其多晶块体材料的维氏硬度为3.5GPa、杨氏模量为297GPa、室温电阻为0.35μΩ·m、25～1200℃范围内的热膨胀系数为9.0×10-6K-1、室温压缩强度为540～580MPa、室温弯曲强度为360～390MPa，经1100℃淬火后强度不降低，可机加工(参考文献N.V.Tzenov和M.W.Barsoum，J.Am.Ceram.Soc.，2000，83[4]825)。此外，其多晶块体材料具有良好的摩擦学性能；在0.8MPa压强和60m/s滑动速度下，对低碳钢的干摩擦系数约为0.1，磨损率约为2.5×10-6mm3/Nm(参考文献H-X Zhai，et al，Mater.Sci.Forum，2005[475-479]1251)。但是，目前为止还没有利用这种新型陶瓷制备高性能金属陶瓷材料的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以钛铝碳和纯铜为原料制成的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料及其制备方法。
本发明的技术方案本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料，其成分如下Ti3C2＝3.83～62.06wt％，Cu＝27.82～95.54wt％，Al＝0.63～10.12wt％。
本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料，其显微结构如下
原料的钛铝碳颗粒保持初始的外形轮廓，在每个钛铝碳颗粒的外形轮廓范围内形成Ti3C2层与Cu-Al合金层逐层相间的层状结构；各层的厚度为0.2～0.3μm。
本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料，其力学性能如下抗弯强度750～985MPa，最大变形率1.7～8.5％。
本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料的制备方法，包括以下各步骤步骤1，配料将钛铝碳(Ti3AlC2)粉和纯铜(Cu)粉按以下比例配料Ti3AlC2＝5～81wt％，Cu＝19～95wt％；步骤2，混料每100克上述配料中加入70～120毫升的无水乙醇、200～380克的玛瑙球，球磨2～4小时，在烘箱中60～70℃烘干，将烘干的混合原料研碎，过70～100目筛；步骤3，冷压成型将上述混料后的原料在140～180MPa压强下压制成任何形状的坯体；步骤4，烧结将上述冷压成型的坯体放入高温炉，在氩气保护下，按10～40℃/min的升温速率，将炉温升至1100～1180℃，保温20～30min，以10～15℃/min的速率冷却，即得到本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料。
本发明所具有的有益效果本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料，其抗弯强度大大高于单相的钛铝碳材料，也高于普通的铜合金材料。其抗弯强度和最大变形率依钛铝碳和铜的原料配比而不同；钛铝碳的比例越大所制成的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料的抗弯强度越大而最大变形率越小。对于本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料的应用，可根据实际的使用要求选取适当的钛铝碳和铜的原料配比。
本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料的制备方法，其主要的好处在于配方和制备工艺简单；按本发明的实施步骤，在烧结过程中钛铝碳中的Al被溶出，而Cu进入到钛铝碳的层状结构，形成0.2～0.3μm厚度的Ti3C2层与Cu-Al层逐层相间的层状显微结构，而这种特殊的亚微米层状结构是所制成的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料具有较高强度的基本原因。
本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料可广泛用于机械、电工、交通、化工等领域，例如用于制造各种高性能的轴承、活塞环、各种大功率开关或接触器的触头、滑块等。
本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料在常压下烧结就能获得，很适合大尺寸的或复杂形状的器件的工业化生产。
图1是本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料显微结构的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图2是本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料的断口的扫描电子显微镜(SEM)照片。
具体实施例方式
实施方式一称取纯度为98.4％的Ti3AlC2粉0.765克、纯度为99.9％的Cu粉14.42克，混合后加入11毫升无水乙醇和32克玛瑙球，球磨混料2小时，然后烘干、研碎、过100目筛，在140MPa压强下冷压成条形坯体，放入高温炉中的石墨模具中，氩气保护，以40℃/min的速率升温至1100℃，保温20min，以10～15℃/min的速率将炉温降至60℃，即得到本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料；其中Ti3C2的含量约为0.57克，其余为Cu和Al。
将上述的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料，加工成3mm×4mm×36mm的试样，进行三点弯曲强度测试，跨距为30mm；测得的断裂强度为752.30MPa，最大变形率为8.5％。
实施方式二称取纯度为98.4％的Ti3AlC2粉2.3克、纯度为99.9％的Cu粉11.2克，混合后加入11毫升无水乙醇和32克玛瑙球，球磨混料2.5小时，然后烘干、研碎、过100目筛，在150MPa压强下冷压成条形坯体，放入高温炉中的石墨模具中，氩气保护，以30℃/min的速率升温至1130℃，保温25min，以10～15℃/min的速率将炉温降至60℃，即得到本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料；其中Ti3C2的含量约为0.98克，其余为Cu和Al。
将上述的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料，加工成3mm×4mm×36mm的试样，进行三点弯曲强度测试，跨距为30mm；测得的断裂强度为832.70MPa，最大变形率为7.36％。
实施方式三称取纯度为98.4％的Ti3AlC2粉3.83克、纯度为99.9％的Cu粉8.01克，混合后加入11毫升无水乙醇和32克玛瑙球，球磨混料3小时，然后烘干、研碎、过100目筛，在160MPa压强下冷压成条形坯体，放入高温炉中的石墨模具中，氩气保护，以30℃/min的速率升温至1150℃，保温30min，以10～15℃/min的速率将炉温降至60℃，即得到本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料；其中Ti3C2的含量约为2.93克，其余为Cu和Al。
将上述的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料，加工成3mm×4mm×36mm的试样，进行三点弯曲强度测试，跨距为30mm；测得的断裂强度为807.75MPa，最大变形率为3.38％。
实施方式四称取纯度为98.4％的Ti3AlC2粉5.355克、纯度为99.9％的Cu粉4.806克，混合后加入10毫升无水乙醇和32克玛瑙球，球磨混料3小时，然后烘干、研碎、过100目筛，在170MPa压强下冷压成条形坯体，放入高温炉中的石墨模具中，氩气保护，以30℃/min的速率升温至1160℃，保温30min，以10～15℃/min的速率将炉温降至60℃，即得到本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料；其中Ti3C2的含量约为4.10克，其余为Cu和Al。
将上述的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料，加工成3mm×4mm×36mm的试样，进行三点弯曲强度测试，跨距为30mm；测得的断裂强度为983.89MPa，最大变形率为2.64％。
实施方式五称取纯度为98.4％的Ti3AlC2粉6.885克、纯度为99.9％的Cu粉1.602克，混合后加入10毫升无水乙醇和32克玛瑙球，球磨混料4小时，然后烘干、研碎、过100目筛，在180MPa压强下冷压成条形坯体，放入高温炉中的石墨模具中，氩气保护，以30℃/min的速率升温至1180℃，保温30min，以10～15℃/min的速率将炉温降至60℃，即得到本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料；其中Ti3C2的含量约为5.267克，其余为Cu和Al。
将上述的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料，加工成3mm×4mm×36mm的试样，进行三点弯曲强度测试，跨距为30mm；测得的断裂强度为983.66MPa，最大变形率为1.73％。
上述实施方式使用的Ti3AlC2粉为专利申请号200510011650.7，发明名称“一种钛铝碳化物粉料及其以锡为反应助剂的合成方法”所制备的钛铝碳化物粉料。
权利要求
1.一种Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料，其特征在于其成分如下Ti3C2＝3.83～62.06wt％；Cu＝27.82～95.54wt％；Al＝0.63～10.12wt％。
2.根据权利要求1所述的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料，其特征在于，其显微结构如下原料的钛铝碳颗粒保持初始的外形轮廓，在每个钛铝碳颗粒的外形轮廓范围内形成Ti3C2层与Cu-Al合金层逐层相间的层状结构；各层的厚度为0.2～0.3μm。
3.一种Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤1，配料将钛铝碳(Ti3AlC2)粉和纯铜粉按以下比例配料Ti3AlC2＝5～81wt％，Cu＝19～95wt％；步骤2，混料每100克上述配料中加入70～120毫升的无水乙醇、200～400克的玛瑙球，球磨2～4小时，在烘箱中60～70℃烘干，将烘干的混合原料研碎，过70～100目筛；步骤3，冷压成型将上述混料后的原料在140～180MPa压强下压制成任何形状的坯体；步骤4，烧结将上述冷压成型的坯体放入高温炉，在氩气保护下，按10～40℃/min的升温速率，将炉温升至1100～1180℃，保温20～30min，以10～15℃/min的速率冷却，即得到本发明的Ti3C2/Cu-Al金属陶瓷材料。
全文摘要
一种Ti
文档编号C22C9/00GK1733955SQ200510012150
公开日2006年2月15日 申请日期2005年7月12日 优先权日2005年7月12日
发明者翟洪祥, 艾明星, 黄振莺, 周洋, 张志力, 李世波 申请人:北京交通大学