CN110357633B - 一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，将氧化石墨烯溶于去离子水中，加入L‑抗坏血酸，搅拌后控制温度为80‑120℃，充分发生还原反应，形成均匀结构的石墨烯水凝胶，干燥脱水得到石墨烯气凝胶；将石墨烯气凝胶、钛粉、铝粉均匀混合；将得到的混合粉体压制成坯体，以铂片作为电极，石墨柱作为加压触头，进行闪烧烧结处理，得到致密且均匀的钛铝碳陶瓷。与现有技术相比，本发明采用石墨烯辅助闪烧技术烧结制备致密度高，纯度高、晶粒尺寸均匀的钛铝碳陶瓷，并且制备工艺简单，效率高且可在室温下就可以完成。

Description

一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法
技术领域
本发明涉及陶瓷制备方法，尤其是涉及一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法。
背景技术
Mn+1AXn中M是过渡族元素，如V，Ti，Ta等，A主要是Ⅲ或Ⅳ族元素，如Si，Al，Ga，Ge等，X是C或N，n＝1、2、3、4、5，它们可分别简称为 211相(Ti2AlC,Cr2AlC，Ta2AlC等)，312相(Ti3AlC2，Ti3SiC2)，413相和 523相。Mn+1AXn化合物具备相似的六方晶体结构，空间结构为P63/mmc。这些化合物是热力学稳定的层状化合物，具有广泛的应用领域。例如，Ti3AlC2的晶胞参数为a＝b＝0.30753nm，c＝1.8578nm，其理论密度为为4.25g/cm3。Ti(1) 和Ti(2)分别占据2a和2f，Al原子位于2b位置，C原子处于2b(z＝0.5701) 位置。Ti3AlC2结构特点可解释为：Al原子分层排列，隔开了紧密堆积的Ti6C 八面体，两者在垂直于a轴的方向呈周期性堆垛排列，八面体的中心是C原子，每一个晶胞含有两个Ti3AlC2。钛铝碳(Ti3AlC2，Ti2AlC等)中含有离子键、共价键和金属键三种键合方式，这就是其既具有金属性又具有陶瓷性能的原因。其中的Ti-C键是共价键，结合力较强，这使得钛铝碳具有较高的弹性模量(～300 GPa)和强度(～760MPa)。但是，Ti-Al键和Al原子层内部是以金属键结合的，这种层与层之间结合的特征与石墨层间的范德华力结合方式类似，这就导致钛铝碳具备层状结构自润滑的特性。同时，钛铝碳具有优异的高温抗氧化性能，其在1200℃以下可以形成Al2O3和TiO2的氧化膜，在更高温度下，会形成Al2TiO5。钛铝碳的热膨胀系数为～9.0×10-6/℃，与生成氧化铝膜(Al2O3， 9.3×10-6/℃)的热膨胀系数相近，可以提高氧化层的结合力，进一步对基体材料进行氧化保护。并且钛铝碳因其具有特殊的键合特性，使得可以恢复原子位移损伤，从而对辐射损伤也有较好的容忍性。可能被应用于未来核工业核燃料包壳材料。因此，钛铝碳的制备和合成成为近年来国内外研究的热点之一。提出一种简单、快捷的合成方法对其在未来高温领域应用具有重要的意义。
到目前为止，制备的钛铝碳陶瓷的方法有很多种，例如碳化反应法[N.C. Ghosh,S.P.Harimkar,Consolidation and synthesis of MAX phases by Spark PlasmaSintering(SPS):a review,Advances in science and technology of Mn+1AXn phases,Woodhead Publishing Limited,Oklahoma State University,USA,2012.]、热压反应烧结法[Jae-Ho Han,Sung-Sic Hwang,Dongyun Lee,Sang-Whan Park, Synthesis andmechanical properties of Ti3AlC2by hot pressing TiCx/Al powder mixture,Journalof the European Ceramic Society 28(2008)979–988.]、放电等离子烧结法[Ludi Xu,Degui Zhu,Yunlong Liu,Tohru S.Suzuki,Byung-nam Kim, Yoshio Sakka,SalvatoreGrassoa,,Chunfeng Hu,Effect of texture on oxidation resistance of Ti3AlC2,Journal of the European Ceramic Society 38(2018)3417– 3423.]、机械合金化法[Bilge Yaman Islak,Erhan Ayas.Evaluation of properties of spark plasmasintered Ti3SiC2and Ti3SiC2/SiC composites.Ceramics International 45(2019)12297–12306.]以及高温自蔓延反应法[Maryam Akhlaghi,Seyed Ali Tayebifard,Esmaeil Salahi,Mehdi Shahedi Asl,Gert Schmidt.Self-propagating high-temperature synthesis of Ti3AlC2MAX phase from mechanically-activated Ti/Al/graphite powder mixture,Ceramics International 44(2018)9671–9678.]以上方法均需要在高温条件下进行,采用碳热还原法一般通过两步法制备 Ti3AlC2陶瓷，先要通过碳热还原法高温条件下制备出陶瓷粉体，然后通过烧结制备最终的陶瓷，这样时间周期长，工艺复杂，无法通过控制粉体颗粒尺寸进而调控陶瓷晶粒尺寸以及微观结构。热压烧结法需要在较高的温度条件下烧结陶瓷，很容易导致陶瓷晶粒异常长大，影响后期陶瓷的性能；而放电等离子体烧结法虽然可以快速烧结陶瓷，但是仍然温度较高，对设备要求较高；同时机械合金化制备钛铝碳陶瓷也需要后期高温反应烧结才可以获得最终的目标产物；高温自蔓延反应法制备的钛铝碳陶瓷也需要自身材料体系提供较高温度下进行合成反应，材料的组成和晶粒尺寸大小很难控制，并且很难使得陶瓷烧结致密化，同时由于材料体系内部局部热应力的存在，导致陶瓷内部存在裂纹等缺陷，这样将会对陶瓷后期性能不利。
发明内容
本发明的目的就是为了克服克服上述钛铝碳陶瓷高温合成和烧结对设备要求高，工艺复杂难以控制的现有技术缺点而提供一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，包括：
将氧化石墨烯溶于去离子水中，加入L-抗坏血酸，搅拌后控制温度为 80-120℃，充分发生还原反应，形成均匀结构的石墨烯水凝胶；
将石墨烯水凝胶干燥脱水，得到多空疏松且比表面积较大的石墨烯气凝胶；
将石墨烯气凝胶、钛粉、铝粉均匀混合；
将得到的混合粉体压制成坯体，以铂片作为电极，石墨柱作为加压触头，进行闪烧烧结处理，得到致密且均匀的钛铝碳陶瓷。
进一步的，闪烧烧结处理时控制电场强度为50～300V/cm，电流密度为 80-500mA/mm2，烧结施加压力为10-50MPa，真空度控制在1-15Pa。
更加进一步的，闪烧烧结处理时，控制电场强度为80～200V/cm，电流密度为80-180mA/mm2，烧结施加压力为20-40MPa，真空度控制在1-6Pa。
本申请所涉及的技术参数，例如石墨烯气凝胶的制备工艺、粉体颗粒尺寸、配比、球磨工艺参数以及闪烧技术烧结时采用的电场强度、电流密度、烧结施加压力、真空度等都是通过大量实验和基于材料化学热力学以及动力学反应机制后总结的结果。首先在闪烧过程中，存在电场、热场及其耦合作用等多物理过程。因此，其烧结机理也可能是基于这些物理过程的综合作用。只有在上述技术参数范围下，石墨烯气凝胶的制备工艺、粉体颗粒尺寸、配比、球磨以及闪烧工艺的条件下才能发生闪烧过程中快速碳化反应烧结制备出致密的钛铝碳陶瓷。反之，石墨烯气凝胶制备工艺参数、颗粒尺寸和配比不是上述参数，闪烧电场强度过大，电流密度过大，烧结施加压力过大，陶瓷体系能量较高，闪烧剧烈使得碳化不完全发生，同时会导致晶粒异常长大，导致陶瓷结构和性能变差；另外，真空度过高，虽然不会引起材料氧化，但是不便于陶瓷材料在电流作用下产生焦耳热。同理，闪烧电场强度太小，电流密度过小，施加压力过小会导致陶瓷内部和晶界处能量过低，电流过低不能引发闪烧过程，进而不能给晶粒和晶界内部提供足够能量诱发扩散烧结反应致密化，也就是反应物和界面处焦耳热不足以提供烧结所需能量，造成陶瓷材料内部碳化反应不完全，缺陷多且致密度较低，晶界处第二相较为复杂，进而造成陶瓷材料结构和性能变差；另外，真空度较低，在高的能量和焦耳热驱动下，材料内部材料和界面处含氧量较高容易引起氧化，这样阻止陶瓷材料内部碳化反应烧结致密化，也就无法正常获得目标钛铝碳陶瓷材料。
进一步的，氧化石墨烯溶液中的固含量为3-10g/L。
进一步的，氧化石墨烯溶液中L-抗坏血酸的浓度为0.5-5g/L。
进一步的，所述石墨烯水凝胶在50-80℃的条件干燥脱水4-12h。
进一步的，所述钛粉的粒径为1-10μm，所述铝粉的粒径为1-10μm。
进一步的，所述石墨烯气凝胶、钛粉、铝粉的摩尔比为(1～10)∶(1～20)∶ (1～10)。
进一步的，采用行星式球磨机进行球磨，使得石墨烯气凝胶、钛粉以及铝粉均匀混合。
进一步的，球磨机中石墨烯气凝胶、钛粉、铝粉的混合粉体与球石的质量比为1∶(8～20)，球磨机转速为200-500转，球磨时间为6-24h。
通过采用还原氧化石墨烯辅助闪烧技术烧结制备钛铝碳陶瓷，并且可以灵活调控其组成和微观结构来优化提高钛铝碳陶瓷的微观结构和性能。首先，采用已经制备好的石墨烯气凝胶作为碳源，以铝粉和钛粉分别作为铝源和钛源，通过高能球磨混合活化粉体，然后采用冷等静压成型预制坯体；然后在闪烧烧结过程中，石墨烯与铝粉和钛粉发生碳化反应，同时在室温电场作用下施加压力快速烧结致密化形成的钛铝碳陶瓷。烧结制备得到的钛铝碳陶瓷致密且纯度高、晶粒尺寸较小且可控，避免传统制备烧结钛铝碳陶瓷方法高温烧结难以控制陶瓷的晶粒生长和微观结构，且工艺复杂，对设备要求高等问题。
闪烧技术是一种能够在极短时间内，较低温度条件下使得电解质陶瓷烧结致密化的一种方法。首先将电解质陶瓷粉体干压成形，然后将其连接到电路当中，对电解质样品施加一个固定的初始电压，并且将电解质陶瓷坯体置于炉内加热或者室温。当炉温达到一个固定值时，电路中电流瞬间急剧上升。这样，电解质陶瓷可以在几秒的时间内，烧结致密。因为烧结过程中出现了急剧上升的电流以及烧结的起始点，具有以下优点：(1)烧结温度低；(2)烧结速率快；(3)恒温烧结时间短；(4)能够致密一些在传统高温烧结中难以致密的电解质，如BZY；(5)不需要添加烧结助剂；(6)装置简便。在闪烧过程中，存在电场、热场及其耦合作用等多物理过程。因此，其烧结机理也可能是基于这些物理过程的综合作用。目前主流的学术观点主要包括焦耳热效应理论、快速升温促进致密化理论、颗粒接触点局部热效应理论和缺陷作用理论等。包括离子导体(如3YSZ和8YSZ等多种立方、四方氧化锆相)、绝缘体(Al2O3)、半导体(BaTiO3、ZnO和SiC等)和类金属性导电陶瓷(Co2MnO4和ZrB2)等。8YSZ可在120V/cm的电场作用下，在750℃，远低于传统烧结材料的温度下，实现致密化。
本发明采用石墨烯辅助闪烧技术烧结制备致密度高，纯度高、晶粒尺寸均匀的钛铝碳陶瓷，这样一方面，以还原氧化石墨烯为碳源，实现了在室温条件下发生闪烧原位合成制备钛铝碳MAX相；另一方面，在电场作用下，同时提供一定的压力使得陶瓷可以在室温条件下烧结致密化，这将提供一种室温条件下合成制备陶瓷的方法，可以灵活有效调控陶瓷的组成、结构以及性能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)采用还原氧化石墨烯气凝胶作为碳源，同时辅助闪烧技术室温条件下制备烧结成分可控的钛铝碳MAX相陶瓷。
(2)同时采用闪烧技术，通过原位反应烧结一步法制备钛铝碳MAX相陶瓷，所制备的陶瓷致密且结晶性良好、晶粒尺寸均匀分布、结构可控。
(3)这种方法制备钛铝碳MAX相陶瓷制备温度低、工艺简单可控、反应烧结效率高，并且对设备要求低。
(4)这种方法制备的钛铝碳MAX相陶瓷结构均匀且致密度可以达到 92％-100％。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，包括：
(1)取氧化石墨烯(直径：0.5-10μm，层数：1-5层)溶于去离子水中，配置固含量为3-10g/L，并采用超声震荡30-100min，然后磁力搅拌1-12h,使得氧化石墨烯充分溶解于去离子水中形成均匀的溶液，然后向上述溶液中加入 L-抗坏血酸，控制其浓度为0.5-5g/L，并且磁力搅拌1-12h,然后静置于80-120 ℃的烘箱中，使其充分发生还原反应，形成均匀结构的石墨烯水凝胶；
(2)将步骤1中得到的石墨烯水凝胶放入50-80℃的电热鼓风干燥箱中干燥脱水4-12h，得到多空疏松且比表面积较大的石墨烯气凝胶；
(3)取步骤2中得到的石墨烯气凝胶、微米级别钛粉(Ti)(1-10μm) 和微米级别铝粉(Al)(1-10μm)，按照摩尔比为：石墨烯气凝胶∶Ti∶Al＝ (1～10)∶(1～20)∶(1～10)的比例混合，并且采用行星式球磨机进行球磨，使得上述石墨烯气凝胶、钛粉以及铝粉均匀混合，控制混合粉体与球石的质量比为1∶(8～20)，球磨机转速为200-500转，球磨6-24h后获得均匀混合的粉体。
(4)将步骤3中的混合粉体采用冷等静压预压成型圆柱坯体(直径为5-30 mm，高度为1-10mm)，然后采用铂片作为电极，石墨柱作为加压触头，进行闪烧烧结过程，控制样品的电场强度为50～300V/cm，电流密度为80-500 mA/mm2，烧结施加压力为10-50MPa，真空度控制在1-15Pa，即可得到致密且均匀的钛铝碳陶瓷，致密度可达92％-100％。
以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。
本发明所采用的具体实施例中，
氧化石墨烯粉体是由上海碳源汇谷新材料科技有限公司生产的，直径： 0.5-10μm，层数：1-5层，单层率>99％，纯度≥99.9％。
L-抗坏血酸是由上海麦克林生化科技有限公司生产的，纯度≥99.0％。
钛粉是由上海超微纳米科技有限公司生产的，纯度≥99.0％。
铝粉是由上海超微纳米科技有限公司生产的，纯度≥99.0％。
超声波发生器的功率为500～1500W，震荡时间为10～100min，是由昆山市超声仪器有限公司生产。
球磨工艺采用的是行星球磨机，是由南京大学生产的型号为QM-3SP4型。
冷等静压设备是由安徽合肥科晶材料技术有限公司生产的型号为 YLJ-CIP-20B型手动分体式冷等静压机。
交流恒压恒流电源是由江苏扬州鼎华电子有限公司生产的型号为ALP-1000V 1A型电源。
闪烧设备是真空高温管式炉，是由安徽合肥材料技术有限公司生产的 VBF-1200X-HB型管式炉。
干燥采用的是电热鼓风干燥箱，是由上海一恒科学仪器有限公司生产的 DHG-9075A型。
实施例1：
一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，包括：
(1)取氧化石墨烯(直径：0.5-10μm，层数：1-5层)溶于去离子水中，配置固含量为3g/L，并采用超声震荡40min，然后磁力搅拌3h,使得氧化石墨烯充分溶解于去离子水中形成均匀的溶液，然后向上述溶液中加入L-抗坏血酸，控制其浓度为1g/L，并且磁力搅拌3h,然后静置于80℃的烘箱中，使其充分发生还原反应，形成均匀结构的石墨烯水凝胶；
(2)将步骤1中得到的石墨烯水凝胶放入50℃的电热鼓风干燥箱中干燥脱水4h，得到多空疏松且比表面积较大的石墨烯气凝胶；
(3)取步骤2中得到的石墨烯气凝胶、微米级别钛粉(Ti)(1μm)和微米级别铝粉(Al)(1μm)，按照摩尔比为：石墨烯气凝胶∶Ti∶Al＝2∶3∶1 的比例混合，并且采用行星式球磨机进行球磨，使得上述石墨烯气凝胶、钛粉以及铝粉均匀混合，控制混合粉体与球石的质量比为1∶10，球磨机转速为300 转，球磨8h后获得均匀混合的粉体。
(4)将步骤3中的混合粉体采用冷等静压预压成型圆柱坯体(直径为10 mm，高度为3mm)，然后采用铂片作为电极，石墨柱作为加压触头，进行闪烧烧结过程，控制样品的电场强度为120V/cm，电流密度为200mA/mm2，烧结施加压力为30MPa，真空度控制在2Pa，即可得到致密且均匀的钛铝碳陶瓷，致密度可达95％。
实施例2：
一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，包括：
(1)取氧化石墨烯(直径：0.5-10μm，层数：1-5层)溶于去离子水中，配置固含量为5g/L，并采用超声震荡60min，然后磁力搅拌5h,使得氧化石墨烯充分溶解于去离子水中形成均匀的溶液，然后向上述溶液中加入L-抗坏血酸，控制其浓度为2g/L，并且磁力搅拌8h,然后静置于90℃的烘箱中，使其充分发生还原反应，形成均匀结构的石墨烯水凝胶；
(2)将步骤1中得到的石墨烯水凝胶放入60℃的电热鼓风干燥箱中干燥脱水8h，得到多空疏松且比表面积较大的石墨烯气凝胶；
(3)取步骤2中得到的石墨烯气凝胶、微米级别钛粉(Ti)(2μm)和微米级别铝粉(Al)(2μm)，按照摩尔比为：石墨烯气凝胶∶Ti∶Al＝1∶2∶1 的比例混合，并且采用行星式球磨机进行球磨，使得上述石墨烯气凝胶、钛粉以及铝粉均匀混合，控制混合粉体与球石的质量比为1∶12，球磨机转速为400 转，球磨12h后获得均匀混合的粉体。
(4)将步骤3中的混合粉体采用冷等静压预压成型圆柱坯体(直径为20 mm，高度为5mm)，然后采用铂片作为电极，石墨柱作为加压触头，进行闪烧烧结过程，控制样品的电场强度为240V/cm，电流密度为400mA/mm2，烧结施加压力为40MPa，真空度控制在5Pa，即可得到致密且均匀的钛铝碳陶瓷，致密度可达97％。
实施例3：
一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，包括：
(1)取氧化石墨烯(直径：0.5-10μm，层数：1-5层)溶于去离子水中，配置固含量为3g/L，并采用超声震荡100min，然后磁力搅拌10h,使得氧化石墨烯充分溶解于去离子水中形成均匀的溶液，然后向上述溶液中加入L-抗坏血酸，控制其浓度为0.5g/L，并且磁力搅拌10h,然后静置于80℃的烘箱中，使其充分发生还原反应，形成均匀结构的石墨烯水凝胶；
(2)将步骤1中得到的石墨烯水凝胶放入50℃的电热鼓风干燥箱中干燥脱水12h，得到多空疏松且比表面积较大的石墨烯气凝胶；
(3)取步骤2中得到的石墨烯气凝胶、微米级别钛粉(Ti)(1μm)和微米级别铝粉(Al)(1μm)，按照摩尔比为：石墨烯气凝胶∶Ti∶Al＝1∶1∶1 的比例混合，并且采用行星式球磨机进行球磨，使得上述石墨烯气凝胶、钛粉以及铝粉均匀混合，控制混合粉体与球石的质量比为1∶8，球磨机转速为200 转，球磨24h后获得均匀混合的粉体。
(4)将步骤3中的混合粉体采用冷等静压预压成型圆柱坯体(直径为30 mm，高度为8mm)，然后采用铂片作为电极，石墨柱作为加压触头，进行闪烧烧结过程，控制样品的电场强度为50V/cm，电流密度为500mA/mm2，烧结施加压力为40MPa，真空度控制在15Pa，即可得到致密且均匀的钛铝碳陶瓷，致密度可达95％。
实施例4：
一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，包括：
(1)取氧化石墨烯(直径：0.5-10μm，层数：1-5层)溶于去离子水中，配置固含量为10g/L，并采用超声震荡60min，然后磁力搅拌5h,使得氧化石墨烯充分溶解于去离子水中形成均匀的溶液，然后向上述溶液中加入L-抗坏血酸，控制其浓度为5g/L，并且磁力搅拌8h,然后静置于100℃的烘箱中，使其充分发生还原反应，形成均匀结构的石墨烯水凝胶；
(2)将步骤1中得到的石墨烯水凝胶放入80℃的电热鼓风干燥箱中干燥脱水4h，得到多空疏松且比表面积较大的石墨烯气凝胶；
(3)取步骤2中得到的石墨烯气凝胶、微米级别钛粉(Ti)(5μm)和微米级别铝粉(Al)(8μm)，按照摩尔比为：石墨烯气凝胶∶Ti∶Al＝5∶20∶ 3的比例混合，并且采用行星式球磨机进行球磨，使得上述石墨烯气凝胶、钛粉以及铝粉均匀混合，控制混合粉体与球石的质量比为1∶20，球磨机转速为 300转，球磨18h后获得均匀混合的粉体。
(4)将步骤3中的混合粉体采用冷等静压预压成型圆柱坯体(直径为20 mm，高度为5mm)，然后采用铂片作为电极，石墨柱作为加压触头，进行闪烧烧结过程，控制样品的电场强度为200V/cm，电流密度为180mA/mm2，烧结施加压力为20MPa，真空度控制在1Pa，即可得到致密且均匀的钛铝碳陶瓷，致密度可达96％。
实施例5：
一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，包括：
(1)取氧化石墨烯(直径：0.5-10μm，层数：1-5层)溶于去离子水中，配置固含量为5g/L，并采用超声震荡60min，然后磁力搅拌5h,使得氧化石墨烯充分溶解于去离子水中形成均匀的溶液，然后向上述溶液中加入L-抗坏血酸，控制其浓度为2g/L，并且磁力搅拌8h,然后静置于90℃的烘箱中，使其充分发生还原反应，形成均匀结构的石墨烯水凝胶；
(2)将步骤1中得到的石墨烯水凝胶放入60℃的电热鼓风干燥箱中干燥脱水8h，得到多空疏松且比表面积较大的石墨烯气凝胶；
(3)取步骤2中得到的石墨烯气凝胶、微米级别钛粉(Ti)(2μm)和微米级别铝粉(Al)(2μm)，按照摩尔比为：石墨烯气凝胶∶Ti∶Al＝1∶2∶1 的比例混合，并且采用行星式球磨机进行球磨，使得上述石墨烯气凝胶、钛粉以及铝粉均匀混合，控制混合粉体与球石的质量比为1∶12，球磨机转速为400 转，球磨12h后获得均匀混合的粉体。
(4)将步骤3中的混合粉体采用冷等静压预压成型圆柱坯体(直径为20 mm，高度为5mm)，然后采用铂片作为电极，石墨柱作为加压触头，进行闪烧烧结过程，控制样品的电场强度为240V/cm，电流密度为400mA/mm2，烧结施加压力为40MPa，真空度控制在5Pa，即可得到致密且均匀的钛铝碳陶瓷，致密度可达97％。
实施例6：
(1)取氧化石墨烯(直径：0.5-10μm，层数：1-5层)溶于去离子水中，配置固含量为6g/L，并采用超声震荡60min，然后磁力搅拌5h,使得氧化石墨烯充分溶解于去离子水中形成均匀的溶液，然后向上述溶液中加入L-抗坏血酸，控制其浓度为1g/L，并且磁力搅拌8h,然后静置于80℃的烘箱中，使其充分发生还原反应，形成均匀结构的石墨烯水凝胶；
(2)将步骤1中得到的石墨烯水凝胶放入60℃的电热鼓风干燥箱中干燥脱水8h，得到多空疏松且比表面积较大的石墨烯气凝胶；
(3)取步骤2中得到的石墨烯气凝胶、微米级别钛粉(Ti)(10μm)和微米级别铝粉(Al)(10μm)，按照摩尔比为：石墨烯气凝胶∶Ti∶Al＝10∶1∶10的比例混合，并且采用行星式球磨机进行球磨，使得上述石墨烯气凝胶、钛粉以及铝粉均匀混合，控制混合粉体与球石的质量比为1∶10，球磨机转速为400转，球磨12h后获得均匀混合的粉体。
(4)将步骤3中的混合粉体采用冷等静压预压成型圆柱坯体(直径为20 mm，高度为5mm)，然后采用铂片作为电极，石墨柱作为加压触头，进行闪烧烧结过程，控制样品的电场强度为300V/cm，电流密度为80mA/mm2，烧结施加压力为10MPa，真空度控制在5Pa，即可得到致密且均匀的钛铝碳陶瓷，致密度可达98％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，其特征在于，该方法包括：
将氧化石墨烯溶于去离子水中，加入L-抗坏血酸，搅拌后控制温度为80-120℃，充分发生还原反应，形成均匀结构的石墨烯水凝胶；
将石墨烯水凝胶干燥脱水，得到多空疏松且比表面积较大的石墨烯气凝胶；
将石墨烯气凝胶、钛粉、铝粉均匀混合；
将得到的混合粉体压制成坯体，以铂片作为电极，石墨柱作为加压触头，进行闪烧烧结处理，得到致密且均匀的钛铝碳陶瓷；
闪烧烧结处理时控制电场强度为50～300V/cm，电流密度为80-500mA/mm2，烧结施加压力为10-50MPa，真空度控制在1-15Pa；
所述石墨烯气凝胶、钛粉、铝粉的摩尔比为(1～10)∶(1～20)∶(1～10)。
2.根据权利要求1所述的一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，其特征在于，闪烧烧结处理时控制电场强度为80～200V/cm，电流密度为80-180mA/mm2，烧结施加压力为20-40MPa，真空度控制在1-6Pa。
3.根据权利要求1所述的一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，其特征在于，氧化石墨烯溶液中的固含量为3-10g/L。
4.根据权利要求1所述的一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，其特征在于，氧化石墨烯溶液中L-抗坏血酸的浓度为0.5-5g/L。
5.根据权利要求1所述的一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，其特征在于，所述石墨烯水凝胶在50-80℃的条件干燥脱水4-12h。
6.根据权利要求1所述的一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，其特征在于，所述钛粉的粒径为1-10μm，所述铝粉的粒径为1-10μm。
7.根据权利要求1或6所述的一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，其特征在于，采用行星式球磨机进行球磨，使得石墨烯气凝胶、钛粉以及铝粉均匀混合。
8.根据权利要求7所述的一种室温快速制备钛铝碳陶瓷的方法，其特征在于，球磨机中石墨烯气凝胶、钛粉、铝粉的混合粉体与球石的质量比为1∶(8～20)，球磨机转速为200-500转，球磨时间为6-24h。
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