一种具有低温裂纹自愈合能力的Ti2Al(1-x)SnxC陶瓷修复相粉体的制备方法与流程

本发明涉及先进陶瓷技术领域，具体涉及一种具有低温裂纹自愈合能力的ti2al(1-x)snxc陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

先进陶瓷材料由于其精细的结构组成及高强度、高硬度、耐高温、抗腐蚀、耐磨等一系列优良特性被广泛应用于航空航天、电子、机械、生物医学等各个领域。而在结构陶瓷的制备、加工与使用过程中,裂纹的出现十分常见,裂纹引起的强度的衰减及可靠性降低等问题极大地限制了材料的实际应用。因此，改善陶瓷材料的脆性，增大强度以提高其在实际使用中的可靠性，成为其能够广泛应用的关键。围绕改善陶瓷材料的脆性和提高强度，目前主要集中在两种方法，一种是通过增加纤维，颗粒等起增加陶瓷材料的韧性，另外一种方法就是设计制造具有自愈合性能的陶瓷材料。

关于自愈合陶瓷材料的研发，刚开始主要集中在uo2,al2o3等陶瓷，但是愈合条件比较苛刻，愈合的温度在1400℃以上，接近该类氧化物陶瓷的熔点，其主要愈合机制跟重烧结相类似。同时由于愈合温度较高，存在晶粒严重长大的问题，大大降低了陶瓷材料的性能。近些年来，日本kotoji等研究学者发现，sic或si3n4这类材料通过氧化反应，形成的氧化产物sio2能有效填补裂纹，修复材料中的裂纹。同时，也可以作为修复相，添加到al2o3，莫来石等氧化物陶瓷中，修复氧化物陶瓷，使得愈合的温度有所降低，但仍在1200-1400℃的高温范围之内；且当温度低于1200℃，则需要几十小时甚至几百小时来愈合裂纹。如何进一步降低愈合温度和减少愈合时间，开发新的具有自愈合功能的修复颗粒迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种低温裂纹自愈合陶瓷修复相粉体的制备方法，与现有技术相比，由该方法制备得到的陶瓷修复相粉体具有更低的愈合温度和愈合时间，可在低温下(<1000℃)修复陶瓷中裂纹。

本发明的另一目的在于提供前述制备方法制备得到的低温裂纹自愈合陶瓷修复相粉体。

本发明的又一目的在于提供一种低温自愈合陶瓷块体材料。

为了解决上述技术问题，本发明提供了低温自愈合陶瓷修复相粉体的制备方法，包括：

按ti:al:sn:tic＝1:(1-x):x:0.9的摩尔比配料，混合、球磨、压制成压块的步骤；

将压块置于高温炉中，在真空或氩气保护气氛下，将炉温升至1200～1400℃，保温5～60min得到烧结体的步骤；以及

将烧结体破碎、碾磨以得到所述修复相粉体的步骤；

其中：0≤x≤1。

本发明中，作为原料的ti、al、sn、tic均为粉状物料。

作为本发明的一种优选的实施方式，配料后将原料混合于球磨机上干混1～4小时。

作为本发明的一种优选的实施方式，球磨时以玛瑙球为研磨介质。

作为本发明的一种优选的实施方式，球磨后的混合料于10～100mpa压力下压制成块。

作为本发明的一种优选的实施方式，高温炉的升温速率为15～40℃/min。

本发明还提供了由前述制备方法制备得到的低温自愈合陶瓷修复相粉体，合成的ti2al(1-x)snxc粉体为细小的板状晶，粉体的粒径小于10μm。该粉体材料可以添加到其他陶瓷中，如氧化铝(al2o3)，氧化锆(zro2)等，作为该氧化物陶瓷的修复因子，使得其具备低温自修复功能。

本发明还提供了一种低温自愈合陶瓷块体材料，其是由前述的陶瓷修复相粉体致密化而得到。其中，致密化可采用本领域公开已知的任何手段进行，例如可以举出烧结、压制、热等静压、冷等静压。

本发明的有益效果在于：

1.所用原材料成本低。所用原材料为钛粉(ti)、铝粉(al)，锡粉(sn)和碳化钛粉(tic)，市场上均有销售，价格便宜。

2.制备工艺简单，周期短。本发明的工艺流程简单，在常规的真空炉中，在真空气氛或氩气保护气氛下，短时间内,1200-1400℃温度下合成高纯度max粉体，降低了能耗和粉末的制备成本。

3.产物纯度高。参见图1，在xrd衍射图谱中出现了ti2al(1-x)snxc的衍射峰，证明了ti2al(1-x)snxc相的存在；衍射图谱中无tic等杂质相存在，表明获得的产物纯度高。并且获得的颗粒细小均匀。

4.本发明的自修复粉体中可添加低熔点的sn元素，使得max相中的结合键减弱，加速其氧化分解，从而能在低于1000℃的条件下形成氧化物来填充修复裂纹。参见图2，随着sn含量的增加，ti2al(1-x)snxc粉体的主反应温度从900℃降低到680℃左右。

5.本发明的自修复粉体既可以作为其他陶瓷如氧化铝(al2o3)，氧化锆(zro2)等氧化物陶瓷的修复因子，也可直接致密化成块体材料，通过氧化热处理修复陶瓷材料的裂纹和其他的缺陷。

附图说明

图1是实施例1-3中合成的修复相粉体的xrd粉晶衍射图；

图2是ti2alxsn(1-x)c粉体在空气中氧化的差热分析图；

图3(a)为实施例1中合成的ti2alc粉体材料的sem图片；

图3(b)为实施例1制备的ti2alc块体材料，在空气中于900℃下热处理3h后的sem照片；

图4(a)为实施例3中合成的ti2al0.2sn0.8c粉体材料的sem照片；

图4(b)为将实施例3制备的ti2al0.2sn0.8c粉体作为修复因子添加到al2o3基体中(ti2al0.2sn0.8c相的体积含量为20％)，在空气中于700℃下热处理48h后的sem照片；

其中：图(1)中虚线表示由于sn的固溶导致ti2alc衍射峰的偏移。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本说明书提到的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献全都引于此供参考。除非另有定义，本说明书所用的所有技术和科学术语都具有本领域技术人员常规理解的含义。在有冲突的情况下，以本说明书的定义为准。

当本说明书以词头“本领域技术人员公知”、“现有技术”或其类似用语来导出材料、物质、方法、步骤、装置或部件等时，该词头导出的对象涵盖本申请提出时本领域常规使用的那些，但也包括目前还不常用，却将变成本领域公认为适用于类似目的的那些。

在本说明书的上下文中，除了明确说明的内容之外，未提到的任何事宜或事项均直接适用本领域已知的那些而无需进行任何改变。而且，本文描述的任何实施方式均可以与本文描述的一种或多种其他实施方式自由结合，由此而形成的技术方案或技术思想均视为本发明原始公开或原始记载的一部分，而不应被视为是本文未曾披露或预期过的新内容，除非本领域技术人员认为该结合是明显不合理的。

实施例1

按ti粉：al粉：c粉的摩尔比为2：1:0.9配料,以玛瑙球为研磨介质，在球磨机中混料2小时。然后将混合料置于模具中，经50mpa的压力压成块体。接着将块体放入高温炉中，在真空气氛下，以25℃/min的升温速率将炉温升至1400℃，保温60分钟；然后经破碎、球磨，得到ti2alc粉体材料，再将合成的ti2alc粉体致密化成块体材料。

请参见图3(b)，利用维氏硬度仪在块体材料上制造裂纹，然后在空气气氛下，将带有裂纹的块体材料于900℃温度下热处理3小时，观察到全部裂纹均被修复。

实施例2

按ti粉：al粉：sn粉：tic粉的摩尔比为1：0.8：0.2：0.9配料，以玛瑙球为研磨介质，在球磨机中混料2小时。然后将混合料置于模具中，经50mpa的压力压成块体。接着将块体放入高温炉中，在真空气氛下，以15℃/min的升温速率将炉温升至1350℃，保温30分钟；然后经破碎、球磨，得到ti2al0.8sn0.2c粉体材料。

实施例3

按ti粉：al粉：sn粉：tic粉的摩尔比为1：0.2:0.8:0.9配料，以玛瑙球为研磨介质，在球磨机中混料2小时。然后将混合料置于模具中，经50mpa的压力压成块体。接着将块体放入高温炉中，在真空气氛下，以15℃/min的升温速率将炉温升至1350℃，保温30分钟。然后经破碎、球磨，得到ti2al0.2sn0.8c的粉体材料。

请参见图4(b)，将合成的ti2al0.2sn0.8c粉体添加到氧化铝基体中制备复合材料，利用维氏硬度仪在样品表面制造裂纹，然后在空气气氛下，于700℃下热处理48小时，观察到全部裂纹均被修复。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。