CN103601498A

CN103601498A - 一种Ti3AlC2 陶瓷粉料的制备方法

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Publication number: CN103601498A
Application number: CN201310497696.9A
Authority: CN
Inventors: 王芬; 杨晨辉; 艾桃桃; 朱建锋; 杨海波; 林营
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-10-21
Also published as: CN103601498B

Abstract

本发明公开了一种Ti₃AlC₂陶瓷粉料的制备方法，属于材料科学技术领域。包括以下步骤：按Ti：Al：TiC：Sn：Si=1.0：(1.0～1.3)：2.0：（0.05～0.2）：（0.05～0.15）的摩尔比，分别取Ti、Al和TiC，然后加Sn粉和Si粉，充分混匀，得到混料；2）加入乙醇，充分球磨，得到均匀粉末，干燥；3）将干燥后的混料在真空下，烧结后，冷却，得到Ti₃AlC₂陶瓷粉料。本发明工艺简单，通过加入球磨助剂提高混料的均匀度；通过加入合成助剂，提高产品纯度，降低其杂质；以TiC粉作为C源，不仅降低合成温度，而且提高产品纯度。

Description

一种Ti3AlC2 陶瓷粉料的制备方法

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种Ti₃AlC₂陶瓷粉料的制备方法。

背景技术

Ti₃AlC₂兼具金属和陶瓷的优异特性，如具有低密度（4.2g/cm³），低硬度（Hv为3.5GPa），良好的导电和导热性能，抗热震，耐摩擦，可以切割加工，高温还具有塑性等可用于制造高温发动机、新一代电刷和电极，也适用于化学反应釜用的搅拌器轴承、气氛热处理炉用的风扇轴承以特殊机械密封件。由于Ti₃AlC₂陶瓷还能够吸收机械震动，并仍可以保持硬度和轻型的特点，可以用于汽车飞机发动机部件的制造，以及精密机械工具和电子绝缘件的生产等。许多研究者，利用了Ti₃AlC₂粉体特殊的层状结构，制备可应用在电池和纳米材料中的分离片层状结构材料；利用粉体良好的耐磨性和导热性能，加入到汽车摩擦片中增强其强度。

根据Ti-Al-C三元相图，Ti₃AlC₂的合成温度范围窄，易形成TiC_x等杂质相。而且，随着温度的升高，Ti₃AlC₂将分解生成TiC_x等。因此，配方设计对合成高纯度Ti₃AlC₂尤为关键，亦将影响Ti₃AlC₂的性能。通常按照理论Ti-Al-C的摩尔比为3:1:2配料，很难获得高Ti₃AlC₂含量的合成产物。主要是因为Al的高温挥发。研究表明，若Ti-Al-C的摩尔比偏离3:1:2的化学计量比，可有效抑制TiC杂质相的大量生成。用TiC代替C和部分Ti，不仅为反应提供了直接的Ti₆C八面体，还避免了Ti与C反应生成TiC时产生的大量热，减小了Al的挥发。

Ai MX等人研究发现以Ti粉，Al粉和石墨粉混合，添加适量Sn粉，可以煅烧合成纯的Ti₃AlC₂粉料，煅烧温度为1300-1500℃，添加Sn粉不但可抑制热爆，还可以降低煅烧温度促进单相Ti₃AlC₂的合成，摩尔比为3Ti:1Al:1.8C:0.2Sn的混料在1350-1500℃下煅烧可得纯的粉料（Ai MX,Zhai H X,Zhou Y et al.J Am Ceram Soc[J],2006,89:1114），但结果显示，此方法获得的材料杂质较多，纯度不高；Liang,BY等人研究在Ti-Al-C体系中添加Sn粉用机械活化烧结合成Ti₃AlC₂粉料（Liang,BY;Wang,MZet al.B MATER SCI,2010,33(4):401-406），但此方法不仅较难合成高纯度的Ti₃AlC₂粉料，且制备效率低，成本高；梅炳初等人研究发现以Si为助剂热压制备单相致密Ti₃AlC₂块体材料的一种方法，以TiC粉、Ti粉、Si粉和Al粉为原料，Si粉的摩尔数为0.15～0.25，升温速率为20～60℃/min，Ar气做为保护气氛的热压炉中烧结制成块体（朱教群,梅炳初,徐学文,刘俊，CN03128183.4[P]，2003-12-10），但该方法的烧结气氛不利于高纯Ti₃AlC₂合成，且过高的合成速率不能使混料充分反应，该方法产量低、耗时长。除此而外，上述各个方法都不同程度地存在一定的杂质相，材料的纯度有待进一步提高。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种Ti₃AlC₂陶瓷粉料的制备方法，该方法操作简单、成本低廉，制得的Ti₃AlC₂陶瓷粉体纯度高。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种Ti₃AlC₂陶瓷粉料的制备方法，包括以下步骤：

1）以Ti、Al和TiC作为原料，以Sn和Si作为合成助剂，按Ti：Al：TiC：Sn：Si=1.0：(1.0～1.3)：2.0：（0.05～0.2）：（0.05～0.15）的摩尔比，分别取Ti、Al和TiC，然后加Sn粉和Si粉，充分混匀，得到混料；

2）加入与混料等质量的乙醇，充分球磨，得到均匀粉末，干燥；

3）将步骤2）处理后的混料在真空下，从室温以6℃/min～9℃/min的升温速率加热至1300℃～1450℃，保温烧结1h～2h后，冷却，得到Ti₃AlC₂陶瓷粉料。

步骤2）所述的乙醇为无水乙醇。

步骤2）所述的充分球磨是将混料置于球磨机的陶瓷球磨罐内，研磨介质为氧化铝球。

所述氧化铝球与混料的质量比为3～5:1。

球磨机转速为700～900转/分钟，球磨时间为1～3h。

步骤2）所述的干燥温度为30～50℃。

步骤3）所述的保温烧结是将混料置于刚玉坩埚内在真空烧结炉中进行烧结，所述的冷却为随炉冷却至室温。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明选取性能更加优越的TiC原料代替C粉，加入适量的Al作为原料，以TiC粉作为C源，不仅降低合成温度，而且提高了产品的纯度；本发明选择同时添加适量Sn粉和Si粉作为合成助剂，能够有效提高产品纯度，降低杂质。本发明以真空烧结法制备粉体，使合成材料的杂质TiC相含量低，本发明在较短的时间内，使用较简单的设备（真空烧结炉和普通球磨机），消耗较少的能量，却能大量合成纯度较高的Ti₃AlC₂陶瓷粉料。本发明工艺简单，环境友好，适合大规模工业化生产。

附图说明

图1为本发明（实施例1-6）制备的Ti₃AlC₂粉料的X射线衍射图谱；

图2为是本发明（实施例1）制备的Ti₃AlC₂粉料的SEM扫描图片，放大倍数为2k。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

1）首先，以Ti、Al和TiC作为原料，以Sn和Si为合成助剂，取原料粉体配制混料，其中摩尔比为Ti：Al：TiC：Sn：Si=1.0：1.2：2.0：0.05：0.05；

2）其次，将混料置于陶瓷球磨罐内，加入与混料质量相等的乙醇作为球磨助剂，研磨介质为氧化铝球，球磨机转速为900转/分钟，氧化铝球与混料的质量比为3:1；球磨1h获得均匀粉末并将其干燥，烘干温度为40℃；

3）然后，将干燥的混料置于刚玉坩埚内在真空烧结炉中，在真空下从室温以8℃/min的升温速率加热至1350℃，真空无压烧结，保温1h；

4）最后，保温结束后，随炉冷却至室温得到高纯Ti₃AlC₂陶瓷粉料。

物相测试参见图1中曲线a，主晶相为Ti3AlC2，有最小的杂质TiC相（111）峰少量存在，本实施例得到了最佳纯度的Ti₃AlC₂粉体。Ti₃AlC₂粉体的SEM扫描图片见图2。

实施例2

1）首先，以Ti、Al和TiC作为原料，以Sn和Si为合成助剂，取原料粉体配制混料，其中摩尔比为Ti：Al：TiC：Sn：Si=1.0：1.2：2.0：0.1：0.05；

3）然后，将干燥的混料置于刚玉坩埚内，在真空下从室温以8℃/min的升温速率加热至1350℃，真空无压烧结，保温1h；

4）最后，保温结束后，随炉冷却至室温得到高纯Ti₃AlC₂陶瓷粉料；

物相测试参见图1中曲线b，主晶相为Ti₃AlC₂，有杂质TiC相（111）峰少量存在，本实施例得到了较纯的Ti₃AlC₂粉体。

实施例3

1）首先，以Ti、Al和TiC作为原料，以Sn和Si为合成助剂，取原料粉体配制混料，其中摩尔比为Ti：Al：TiC：Sn：Si=1.0：1.2：2.0：0.1：0.1；

2）其次，将混料置于陶瓷球磨罐内，加入与混料质量相等的乙醇作为球磨助剂，研磨介质为氧化铝球，球磨机转速为900转/分钟，氧化铝球与混料的质量比为3:1；球磨1h获得均匀粉末并将其干燥，烘干温度为45℃；

3）然后，将干燥的混料置于刚玉坩埚内，在真空下从室温以8℃/min的升温速率加热至1400℃，真空无压烧结，保温1h；

物相测试参见图1中曲线c，主晶相为Ti₃AlC₂，有杂质TiC相（111）峰少量存在，本实施例得到了较纯的Ti₃AlC₂粉体。

实施例4

1）首先，以Ti、Al和TiC作为原料，以Sn和Si为合成助剂，取原料粉体配制混料，其中摩尔比为Ti：Al：TiC：Sn：Si=1.0：1.0：2.0：0.15：0.1；

2）其次，将混料置于陶瓷球磨罐内，加入与混料质量相等的乙醇作为球磨助剂，研磨介质为氧化铝球，球磨机转速为700转/分钟，氧化铝球与混料的质量比为4:1；球磨1h获得均匀粉末并将其干燥，烘干温度为50℃；

3）然后，将干燥的混料置于刚玉坩埚内，在真空下从室温以7℃/min的升温速率加热至1300℃，真空无压烧结，保温2h；

物相测试参见图1中曲线d，主晶相为Ti₃AlC₂，有杂质TiC相（111）峰少量存在，本实施例得到了较纯的Ti₃AlC₂粉体。

实施例5

1）首先，以Ti、Al和TiC作为原料，以Sn和Si为合成助剂，取原料粉体配制混料，其中摩尔比为Ti：Al：TiC：Sn：Si=1.0：1.3：2.0：0.15：0.15；

2）其次，将混料置于陶瓷球磨罐内，加入与混料质量相等的乙醇作为球磨助剂，研磨介质为氧化铝球，球磨机转速为800转/分钟，氧化铝球与混料的质量比为4:1；球磨2h获得均匀粉末并将其干燥，烘干温度为40℃；

3）然后，将干燥的混料置于刚玉坩埚内，在真空下从室温以6℃/min的升温速率加热至1350℃，真空无压烧结，保温1h；

物相测试参见图1中曲线e，主晶相为Ti₃AlC₂，有杂质TiC相（111）峰少量存在，本实施例得到了较纯的Ti₃AlC₂粉体。

实施例6

1）首先，以Ti、Al和TiC作为原料，以Sn和Si为合成助剂，取原料粉体配制混料，其中摩尔比为Ti：Al：TiC：Sn：Si=1.0：1.1：2.0：0.2：0.1；

2）其次，将混料置于陶瓷球磨罐内，加入与混料质量相等的乙醇作为球磨助剂，研磨介质为氧化铝球，球磨机转速为700转/分钟，氧化铝球与混料的质量比为5:1；球磨1h获得均匀粉末并将其干燥，烘干温度为30℃；

3）然后，将干燥的混料置于刚玉坩埚内，在真空下从室温以9℃/min的升温速率加热至1450℃，真空无压烧结，保温1h；

物相测试参见图1中曲线f，图中，主晶相为Ti₃AlC₂，有杂质TiC相（111）峰少量存在，本实施例得到了较纯的Ti₃AlC₂粉体。

Claims

1.一种Ti₃AlC₂陶瓷粉料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种Ti₃AlC₂陶瓷粉料的制备方法，其特征在于，步骤2）所述的乙醇为无水乙醇。

3.根据权利要求1所述的一种Ti₃AlC₂陶瓷粉料的制备方法，其特征在于，步骤2）所述的充分球磨是将混料置于球磨机的陶瓷球磨罐内，研磨介质为氧化铝球。

4.根据权利要求3所述的一种Ti₃AlC₂陶瓷粉料的制备方法，其特征在于，所述氧化铝球与混料的质量比为3～5:1。

5.根据权利要求3所述的一种Ti₃AlC₂陶瓷粉料的制备方法，其特征在于，球磨机转速为700～900转/分钟，球磨时间为1～3h。

6.根据权利要求1所述的一种Ti₃AlC₂陶瓷粉料的制备方法，其特征在于，步骤2）所述的干燥温度为30～50℃。

7.根据权利要求1所述的一种Ti₃AlC₂陶瓷粉料的制备方法，其特征在于，步骤3）所述的保温烧结是将混料置于刚玉坩埚内在真空烧结炉中进行烧结，所述的冷却为随炉冷却至室温。