一种Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法及其制得的陶瓷粉末与流程

本发明涉及陶瓷材料领域，且特别涉及一种Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法及其制得的陶瓷粉末。
背景技术：
：美国德雷塞尔大学的Barsoum教授在2000年时提出“MAX相”这一概念，MAX相是Mn+1AXn相(n＝1,2or3)的缩写。其中M代表一类早期过渡金属元素，A代表一些第三或第四主族元素，X是C或N。由于这类MAX化合物具有特殊的立方层状结构，M6X层和A层交替排列，使其兼具陶瓷和金属的优良性能，如低密度、高熔点、良好的导电导热性、高弹性模量、高断裂韧性、耐氧化、耐热震、易加工且有良好的自润滑性。在高温结构陶瓷、电刷和电极材料、可加工陶瓷材料、自润滑材料等领域有着广泛的应用前景。因此其自被发现后就受到国内外研究者的广泛重视。在MAX相陶瓷材料中，Ti3SiC2的研究最为广泛,Ti3AlC2、Cr2AlC、Ti2AlC目前已有较多的报导和应用，但Ti3SnC2却极少涉及。而Ti3SnC2除具有MAX相陶瓷材料的共同特性外，Ti3SnC2还具有较为特殊的性能。一般的MAX相的硬度范围为1.4-8GPa，且硬度具有各项异性，而Ti3SnC2的硬度约为9.3GPa，大于绝大多数的MAX相陶瓷。此外Ti3SnC2还具有较低的剪切模量/体积模量比，具有良好的断裂韧性和疲劳强度。现有技术中，SylvanDubois等(JAmCeramSoc90卷2642-2644页)利用热等静压技术在1315℃下制备了Ti3SnC2。但是，该技术需要在高温高压条件下进行，其对设备要求高，工艺复杂，且产物中还含有大量的TiC和Ti2SnC等杂质。而传统的无压烧结也需要将原料先进行合金化，由于合金化过程中形成多种晶相结构，使烧结产物中含有大量的杂质相。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法，该方法于常压下进行，工艺简单，能耗低，反应迅速，且制得的产品纯度高、活性好，适于工业化生产。本发明的另一目的在于提供上述制备方法制得的陶瓷粉末，其加工方便、易于烧结，且纯度高、活性高，导电及导热性能优良。本发明的实施例是这样实现的：一种Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法，包括：将原料混匀后以400-800r/min的转速第一次球磨2.5-3.5h，得球磨活化粉体；将球磨活化粉体进行自蔓延反应得块状产物；将块状产物以250-350r/min的转速第二次球磨2.5-3.5h。原料按重量份数计包括2.95-3.05份的Ti粉、0.6-1份的Sn粉、0.2-0.6份的Al粉以及1.95-2.05份的C粉。一种Ti3SnC2陶瓷粉末，其根据上述的Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法制得。本发明实施例的有益效果是：本发明提供的Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法，该方法于常压下进行自蔓延反应，其通过自身反应放热维持反应的进行，能耗低，工艺简单，反应迅速。将原料经过高速球磨活化，一方面能够使原料的粒径减小使其获得纳米尺度，增强反应物的活性；另一方面，能够除去原料表面的钝化膜，诱发位错、空位等结构缺陷，导致晶格畸变，增加内能和表面能，进而改变反应活性，促进自蔓延高温合成反应。原料中加入Al粉用于固定晶格、细化晶粒，并取代部分Sn粉形成固溶体，能够提高制得产品的活性，降低烧结活化能；利用自蔓延反应过程中较大的热梯度和冷凝速度，改善Al熔体对C的浸润性，提高反应物的纯度，利于MAX相的形成。通过上述制备方法制得的Ti3SnC2陶瓷粉末，其纯度高，硬度、导电及导热性能优良。晶粒的粒径小，活性高，易于烧结，加工性能优良。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本发明实施例1制得的Ti3SnC2陶瓷粉末的XRD图；图2为本发明对比例1制得的陶瓷粉末的XRD图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本发明实施例的植物油基水性聚氨酯涂料及其制备方法进行具体说明。一种Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法，以Ti粉、Sn粉、Al粉以及C粉的混合物作为原料，将原料球磨活化后进行自蔓延反应，再进行球磨粉碎。Sn粉用作MAX相中的组分形成固溶体。Al粉的加入能够固定晶格、细化晶粒，取代部分Sn形成固溶体，降低烧结的活化能，使产品晶粒粒径小、活性高、易于烧结，加工性能优良。当Ti粉：Sn粉：Al粉：C粉的重量份数比为2.95-3.05：0.6-1：0.2-0.6：1.95-2.05时，使原料反应充分。进一步的，当Ti粉：Sn粉：Al粉：C粉的重量份数比为3：0.6-1：0.2-0.6：2，更佳的Ti粉：Sn粉：Al粉：C粉的重量份数比为3：0.8：0.4：2时，原料分散均匀，反应充分，产物的纯度高，制得的产品具备较高的硬度和较好的导电及导热性能；晶粒粒径小，活性好，加工性能优良。为了得到纳米尺度的原料使反应迅速充分，原料中各组分的粒度为200-400目，较佳的为400目，其便于将原料充分球磨细化。自蔓延反应前对原料进行第一次球磨，其目的是将原料进行活化。将原料于400-800r/min的转速下进行2.5-3.5h的球磨，较佳地以500-700r/min或更佳的600r/min的转速球磨3h。其能够减小原料粉体的粒径，使原料粒度达到纳米级，反应活性增强；球磨过程还可去除原料表面颗粒的钝化膜，诱发位错、空位等结构缺陷，导致晶格畸变，增加内能和表面能，进而改变反应活性，达到促进自蔓延高温合成反应的目的。为了将原料进行充分的球磨，第一次球磨过程中磨球和原料的质量比为5-10：1。较佳地该球料比为10:1，其细化更加充分，且不会对球磨罐造成过多的损伤。较佳地，上述第一次球磨操作在惰性气体氛围下进行，防止原料在球磨过程中被氧化，影响原料的反应性及产物的质量。由于氩气的成本较低，为了降低成本，较佳地，选择氩气作为惰性气体。采用自蔓延反应进行陶瓷烧结，通过自蔓延反应自身反应放热维持反应的进行，能耗低。同时自蔓延反应的高温环境使其反应迅速，生产周期缩短，成本降低。自蔓延反应过程中较大的热梯度和冷凝速度能够改善Al熔体对C的浸润性，使反应物的纯度提高，利于MAX相的形成。进一步地，在本发明较佳的实施例中，自蔓延反应采用钨丝线圈引燃。该引燃式的自蔓延反应，在引燃前Al为固态，引燃后反应区域的固态Al被依次熔化，使热量消耗增加，燃烧温度降低；同时反应区域的原料从加热到反应开始时间较短，能够物防止杂质相的生产。由于原料经第一次球磨后粒径较小，且自蔓延过程中反应温度高，为了防止原料在反应过程中被氧化，较佳的，该自蔓延反应于惰性气体氛围下进行。为了降低成本，较佳地，选择价格较低的氩气作为惰性气体，当然使用氦气等惰性气体进行保护也是可行的。为了得到粒径小、加工性能好的陶瓷粉末，进一步地，需要将烧结后的块状产物进行球磨。将块状产物以5-10:1的球料比于250-350r/min的转速下进行2.5-3.5h的球磨，较佳地以10:1的球料比于300r/min的转速球磨3h，使陶瓷粉末的粒径达到微纳级。上述制备方法于常压或真空条件下进行，其工艺简单，设备要求不高，能耗低，成本低。前处理和后处理时间短，燃烧反应迅速，生产周期短，成本进一步降低。利用上述方法制得的Ti3SnC2陶瓷粉末，其生产快，成本低，纯度高，活性高，易于烧结，粒径小，适于工业化生产。以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。实施例1一种Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法，包括：称取30g粒度为400目的Ti粉、8g粒度为400目的Sn粉、4g粒度为400目的Al粉以及20g粒度为400目的C粉作为原料。将原料混匀后置于真空球磨罐中并通入氩气，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为10:1，以600r/min的转速球磨3h得球磨活化粉体。将球磨活化粉体置于石墨坩埚中并于表面放置钨丝线圈，将石墨坩埚置于自蔓延高温合成装置室内抽真空并充入氩气，向钨丝线圈通电将球磨活化粉体引燃进行自蔓延反应，得块状产物。将块状产物置于球磨罐中，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为10:1，以300r/min的转速球磨3h，得Ti3SnC2陶瓷粉末。实施例2一种Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法，包括：称取30g粒度为400目的Ti粉、10g粒度为400目的Sn粉、2g粒度为400目的Al粉以及20g粒度为400目的C粉作为原料。将原料混匀后置于真空球磨罐中并通入氩气，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为10:1，以500r/min的转速球磨3h得球磨活化粉体。将球磨活化粉体置于石墨坩埚中并于表面放置钨丝线圈，将石墨坩埚置于自蔓延高温合成装置室内抽真空并充入氩气，向钨丝线圈通电将球磨活化粉体引燃进行自蔓延反应，得块状产物。将块状产物置于球磨罐中，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为10:1，以300r/min的转速球磨3h，得Ti3SnC2陶瓷粉末。实施例3一种Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法，包括：称取30g粒度为400目的Ti粉、6g粒度为400目的Sn粉、6g粒度为400目的Al粉以及20g粒度为400目的C粉作为原料。将原料混匀后置于真空球磨罐中并通入氩气，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为10:1，以700r/min的转速球磨3h得球磨活化粉体。将球磨活化粉体置于石墨坩埚中并于表面放置钨丝线圈，将石墨坩埚置于自蔓延高温合成装置室内抽真空并充入氩气，向钨丝线圈通电将球磨活化粉体引燃进行自蔓延反应，得块状产物。将块状产物置于球磨罐中，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为10:1，以300r/min的转速球磨3h，得Ti3SnC2陶瓷粉末。实施例4一种Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法，包括：称取29.5g粒度为200目的Ti粉、8g粒度为200目的Sn粉、4g粒度为200目的Al粉以及19.5g粒度为200目的C粉作为原料。将原料混匀后置于真空球磨罐中并通入氩气，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为5:1，以400r/min的转速球磨2.5h得球磨活化粉体。将球磨活化粉体置于石墨坩埚中并于表面放置钨丝线圈，将石墨坩埚置于自蔓延高温合成装置室内抽真空并充入氩气，向钨丝线圈通电将球磨活化粉体引燃进行自蔓延反应，得块状产物。将块状产物置于球磨罐中，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为5:1，以250r/min的转速球磨2.5h，得Ti3SnC2陶瓷粉末。实施例5一种Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法，包括：称取30.5g粒度为200目的Ti粉、8g粒度为200目的Sn粉、4g粒度为200目的Al粉以及20.5g粒度为200目的C粉作为原料。将原料混匀后置于真空球磨罐中并通入氩气，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为5:1，以800r/min的转速球磨3h得球磨活化粉体。将球磨活化粉体置于石墨坩埚中并于表面放置钨丝线圈，将石墨坩埚置于自蔓延高温合成装置室内抽真空并充入氩气，向钨丝线圈通电将球磨活化粉体引燃进行自蔓延反应，得块状产物。将块状产物置于球磨罐中，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为3:1，以350r/min的转速球磨3.5h，得Ti3SnC2陶瓷粉末。对比例1一种陶瓷粉末的制备方法，包括：称取30g粒度为400目的Ti粉、12g粒度为400目的Sn粉以及20g粒度为400目的C粉作为原料。将原料混匀后置于真空球磨罐中并通入氩气，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为10:1，以600r/min的转速球磨3h得球磨活化粉体。将球磨活化粉体置于石墨坩埚中并于表面放置钨丝线圈，将石墨坩埚置于自蔓延高温合成装置室内抽真空并充入氩气，向钨丝线圈通电将球磨活化粉体引燃进行自蔓延反应，得块状产物。将块状产物置于球磨罐中，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为10:1，以300r/min的转速球磨3h，得陶瓷粉末。对比例2一种陶瓷粉末的制备方法，包括：称取30g粒度为400目的Ti粉、8g粒度为400目的Sn粉、4g粒度为400目的Al粉以及20g粒度为400目的C粉作为原料。将原料混匀后置于真空球磨罐中并通入氩气，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为10:1，以300r/min的转速球磨3h得球磨活化粉体。将球磨活化粉体置于石墨坩埚中并于表面放置钨丝线圈，将石墨坩埚置于自蔓延高温合成装置室内抽真空并充入氩气，向钨丝线圈通电将球磨活化粉体引燃进行自蔓延反应，得块状产物。将块状产物置于球磨罐中，以硬质合金球作为磨球，按照球料比为10:1，以300r/min的转速球磨3h，得陶瓷粉末。采用微纳激光粒度仪对实施例1-5制得的Ti3SnC2陶瓷粉末及对比例1-2制得的陶瓷粉末的粒度进行测试，其结果如表1所示。表1.陶瓷粉末的粒度根据表1可知，本发明实施例提供的制备方法制得的陶瓷粉末粒径小，其晶粒细化性能好。对实施例1-5制得的Ti3SnC2陶瓷粉末及对比例1-2制得的陶瓷粉末的主相和第二相的组成进行X射线分析，其结果如表2所示。表2.陶瓷粉末的晶相成分项目主相第二相实施例1Ti3SnC2TiC实施例2Ti3SnC2TiC、Ti2SnC实施例3Ti3SnC2TiC、Sn实施例4Ti3SnC2TiC、Ti2SnC实施例5Ti3SnC2TiC、Sn对比例1Ti2SnCTiC、Sn对比例2Ti2SnCTiC、Ti3SnC2根据表2可知，本发明实施例提供的制备方法制得的陶瓷粉末，其主要含Ti3SnC2相，产品具有Ti3SnC2相的硬度高、导电性及导热性好的优良性能。根据实施例1及对比例2的分析结果可知，活化处理时球磨的转速对反应的影响较大，原料的充分球磨能够增强反应物活性，促进Ti3SnC2相的合成。请参阅图1，实施例1制得的陶瓷粉末其主相为Ti3SnC2，另含有极少量的TiC第二相。请参阅图2，对比例1制得的陶瓷粉末其主相为Ti2SnC，另以少量的TiC及Sn作为第二相。由上述可知，Al粉对于Ti3SnC2的合成起至关重要的作用，其能固定晶格、细化晶粒，降低烧结活化能，促进Ti3SnC2相的形成。综上所述，本发明实施例提供的Ti3SnC2陶瓷粉末的制备方法，将原料通过充分球磨活化后，采用自蔓延反应进行合成。将原料球磨至纳米尺度，并通过球磨能够除去原料表面的钝化膜，使原料反应活性高。自蔓延反应自身反应放热维持反应的进行，其能耗低，反应迅速。原料中加入Al粉，降低烧结活化能；同时利用自蔓延反应较大的热梯度和冷却速度改善Al熔体对C的浸润性，促进Al对晶格的固定，利于Ti3SnC2相的形成，使制得的产品纯度高，晶粒细化效果好。该制备方法制得的陶瓷粉末，纯度高，活性高，易于烧结，粒径小，成本低，适于工业化生产。以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。当前第1页1 2 3