热压制备高纯度碳化铝钛块体材料的方法技术

热压制备高纯度碳化铝钛块体材料的方法，以Ｔｉ粉、Ａｌ粉和ＴｉＣ粉为原料，适量的Ｓｎ为反应助剂，按Ｔｉ∶Ａｌ∶ＴｉＣ∶Ｓｎ＝１∶（０．９～１）∶１∶（０～０．２）的摩尔比配料，将配料和玛瑙球按球料比２∶１放入球磨罐中，在球磨机上干混５～１０小时后，将混合均匀的配料放入石墨模具内，石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以２０～５０℃／分钟的速率将炉温升至１３５０～１５５０℃，同时对模具中的粉料施加１０～３０ＭＰａ的压力，保温３０～６０分钟，得到高纯度大尺寸Ｔｉ↓［３］ＡｌＣ↓［２］块体材料。该方法具有：所用设备简单，合成Ｔｉ↓［３］ＡｌＣ↓［２］时间短，块体尺寸大，纯度高，成本低，适用于规模化生产。

Method for preparing high-purity titanium carbide block material by hot pressing

Hot pressing method for preparation of high purity aluminium titanium carbide block material, using Ti powder, Al powder and TiC powder as raw material, the amount of Sn as reaction agent, according to the Ti: Al: TiC: Sn = 1: (0.9 ~ 1): 1: (0 ~ 0.2) the molar ratio of the ingredients, and according to the agate ball ball ratio 2: 1 into the ball milling tank, dry mixed 5 ~ 10 hours in ball mill, the mixed ingredients into the graphite mold, graphite mold in hot pressing furnace in argon atmosphere, to 20 to 50 DEG C / minute rate will rise to 1350 ~ 1550 furnace temperature C, applying the pressure of 10 to 30MPa of the powder in the mould at the same time, holding 30 to 60 minutes, get high purity of large size Ti: 3 AlC: 2 block material. This method has simple equipment used, the synthesis of Ti: 3 AlC: 2 short blocks of large size, high purity, low cost, suitable for mass production.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及陶瓷块体的制备方法，特别是一种高导电碳化铝钛Ti3AlC2陶瓷块体及其热压制备方法。
技术介绍
碳化铝钛Ti3AlC2属于新型三元层状化合物。它集金属和陶瓷的优点于一身，集结构和功能一体化，如具有高电导率、抗氧化、耐腐蚀、自润滑、易加工等优良性能。这种新型陶瓷可作为结构和功能材料广泛应用于航空航天、石油化工、交通运输、新能源、电子信息等领域，如是高温结构件的优选材料，是新一代电机电刷材料和热交换材料、高速列车受电弓滑板材料、各种减摩耐磨部件、耐腐蚀构件、固体自润滑材料、燃料电池双极板材料等。在Ti-Al-C三元相图中，由于Ti3AlC2的相区非常窄，因此合成高纯度Ti3AlC2非常困难，产物中通常存在TiC等杂质相，这对Ti3AlC2材料的导电、易加工、自润滑等性能影响较大，因此限制了Ti3AlC2陶瓷在工程领域的应用。目前，合成致密Ti3AlC2块体主要采用热压及热等静压技术。文献1(J.Am.Ceram.Soc.，2000；83825)报道，以Ti粉、Al4C3粉和石墨粉为原料，在1400C，70MPa压力下热等静压16小时，制备出Ti3AlC2块体材料，但是由于Al4C3的吸湿性，最终产物中存在Al2O3杂质相。中国专利技术专利ZL00123203.7，公开了一种以原位热压/固-液反应方法制备Ti3AlC2块体材料的方法。以Ti粉、Al粉和C粉为原料，按Ti∶Al∶C＝3∶1∶2的摩尔比配料，在1200～1500℃、25MPa压力下热压0.5～4小时，得到Ti3AlC2块体材料。文献2(稀有金属材料与工程，2005，34(1)132)报道，利用放电等离子快速烧结法，按Ti∶Al∶C＝3∶1.1∶1.8的摩尔比配料，在1500℃，20MPa的压力下合成了Ti3AlC2块体材料，但含有TiC杂质相。上述方法的特点是，不是烧结时间长，压力大，就是合成材料的纯度低。而且研究发现，采用上述配料时，高温反应过程中因Al的挥发损失，是导致TiC等杂质相存在的主要原因。而Al的挥发损失与Ti/Al/C反应系统中出现“热爆”现象有关。“热爆”现象主要是由于Ti和C的剧烈反应放出大量的热引起的。“热爆”反应的出现，使系统温度急剧升高，造成Al挥发损失严重，改变了系统中各元素的反应比例，影响生成物的纯度。“热爆”反应引起炉内温度剧烈波动，损害炉体的加热件。即使添加B2O3，NaF等低熔点化合物来降低热爆反应程度，但由于低熔点组元的挥发导致炉体及加热件的腐蚀和环境污染。尤其是制备大尺寸Ti3AlC2块体材料时，热爆反应所导致的问题更加突出。
技术实现思路
本专利技术所要解决的关键技术问题是，改变传统以Ti，Al和C为初始配料，解决由传统配料合成Ti3AlC2时存在的问题，直接采用Ti，Al和TiC为原料，或添加适量Sn为反应助剂，在稳定的工艺参数下，以热压技术在较宽的温度范围、短时间内，制备高纯度和低成本Ti3AlC2块体材料。本专利技术的技术方案为热压制备高纯度碳化铝钛块体材料方法(1)以Ti粉、Al粉和TiC粉为原料，Sn为反应助剂，按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶(0.9～1)∶1∶(0～0.2)的摩尔比配料；(2)将上述配料和玛瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，在球磨机上干混5～10小时；(3)将上述混好的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，在氩气保护气氛下，以20～50℃/分钟的升温速率将炉温升至1350～1550℃，同时对模具中的粉料施加10～30MPa的压力，保温30～60分钟，得到高纯度大尺寸Ti3AlC2块体材料。本专利技术和现有技术相比所具有的有益效果在于(1)本专利技术按照Ti∶Al∶TiC＝1∶1∶1的摩尔比配料，或添加适量Sn为反应助剂，合成相同质量的Ti3AlC2块体材料，与传统配料相比(Ti∶Al∶C＝3∶1∶2摩尔比)，减少了原料粉的含量，降低了成本。(2)本专利技术的工艺流程简单，工艺参数稳定，在常规的热压炉中，氩气(或真空)保护气氛下，短时间，较低压力，较宽的温度范围内，制得高纯度Ti3AlC2致密块体材料。(3)在以Ti，Al和C传统配料合成Ti3AlC2的过程中，首先是Ti和Al反应形成Ti-Al化合物，然后是Ti和C反应生成TiC。生成的TiC与Ti-Al化合物反应生成Ti3AlC2。但是相对于Ti3AlC2生成速度来看，系统中TiC的生成具有滞后性，降低了Ti3AlC2的合成速度。在Ti-Al-TiC配料中直接采用TiC，减少了Ti和C反应生成TiC的过程和步骤，只要达到温度，TiC与Ti-Al化合物直接反应生成Ti3AlC2，使Ti3AlC2的合成速度加快。(4)在配料中采用TiC代替全部C和部分Ti，避免了传统配料Ti-Al-C系统中热爆反应的发生，不会引起温度的波动，降低了Al的高温损失问题，烧结工艺参数易于稳定，有利于系统组分按设计比例生成，无TiC等杂质相存在，合成Ti3AlC2材料的纯度高。(5)本专利技术所用配方，由于避免了传统配料中出现的热爆反应和Al的高温损失问题，因此能制备大尺寸高纯度Ti3AlC2块体材料。(5)本专利技术采用Sn作为助剂，由于Sn的熔点低(232℃)，在低温下液相开始出现，使配料中各组分趋于均匀化，有利于反应进行。反应完成后，Sn原子进入Ti3AlC2晶格内形成固溶体，不会以杂质相存在于产物中，因此对Ti3AlC2材料的纯度和特性没有实质性影响。附图说明图1是本专利技术热压制备的Ti3AlC2陶瓷块体材料的X-射线衍射(XRD)图谱。具体实施例方式实施方式一1)按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶1∶1∶0.1的摩尔比配料，称取Ti粉14.68克、Al粉8.29克、TiC粉18.38克，Sn粉3.64克。2)将上述配料和玛瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，混料5小时。3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以30℃/分钟的升温速率将炉温升至1350℃，同时对模具中的粉料施加20MPa的压力，保温时间40分钟，得到高纯度Ti3AlC2致密块体材料。该材料x-射线衍射(XRD)图谱见附图1。由图可见，产物纯度高，在XRD图谱中无TiC等杂质相存在。实施方式二1)按Ti∶Al∶TiC∶Sn＝1∶1∶1∶0.15的摩尔比配料，称取Ti粉14.12克、Al粉7.97克、TiC粉17.66克，Sn粉5.25克。2)将上述配料和玛瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，混料5小时。3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以40℃/分钟的速率将炉温升至1400℃，同时对模具中的粉料施加20MPa的压力，保温时间30分钟，得到高纯度Ti3AlC2致密块体材料。其XRD结果与实施方式一相同。实施方式三1)按Ti∶Al∶TiC＝1∶0.9∶1的摩尔比配料，称取Ti粉16.29克、Al粉8.26克、TiC粉20.37克。2)将上述配料和玛瑙球按球料比2∶1放入球磨罐中，混料8小时。3)将混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以40℃/分钟的速率将炉温升至1500℃，同时对模具中的粉料施加30MPa的压力，保温时间60分钟，得到高纯度Ti3AlC2致密块体材料。其XRD结果与实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
热压制备高纯度碳化铝钛块体材料的方法，该方法的步骤为：（１）以Ｔｉ粉、Ａｌ粉和ＴｉＣ粉为原料，Ｓｎ为反应助剂，按Ｔｉ∶Ａｌ∶ＴｉＣ∶Ｓｎ＝１∶（０．９～１）∶１∶（０～０．２）的摩尔比配料；（２）将上述配料和玛瑙球按球料比２ ∶１放入球磨罐中，在球磨机上干混５～１０小时；（３）将上述混合均匀的配料放入石墨模具内，将石墨模具置于热压炉中，氩气保护气氛下，以２０～５０℃／分钟的升温速率将炉温升至１３５０～１５５０℃，同时对模具中的粉料施加１０～３０ＭＰａ的压 力，保温３０～６０分钟，得到高纯度大尺寸Ｔｉ↓［３］ＡｌＣ↓［２］块体材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李世波，贝国平，向卫华，翟洪祥，周洋，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]