一种致密的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料及其制备方法技术

一种致密的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料及其制备方法，采用商业购买的Ti2AlC粉末和Al2O3纤维，通过等离子放电烧结的技术，获得致密的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料。具体的制备方法是：先将Al2O3纤维在200‑400℃下进行处理，再手工研磨Al2O3纤维至长度为50‑200微米，将纤维与Ti2AlC粉末混合后球磨12‑24h，装入等离子放电烧结炉中，在10‑100MPa压力下和1000‑1500℃的温度下烧结，保温时间为1‑60min。本发明专利技术与一般的Ti2AlC的复合材料相比，具有更高的强度和断裂韧性，高的致密度，良好的导热率，可满足工业规模生产的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料及其制备方法，具体为一种制备具有高强度的致密的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料及其制备方法。
技术介绍
Ti2AlC为三元层状化合物，六方晶系，晶格参数为a＝0.304nm，c＝1.360nm。Ti2AlC同时兼具金属和陶瓷的优良性能，使其在航空、航天、核工业以及化工等领域有着广阔的应用前景，受到了材料科学工作者的广泛研究。Ti2AlC不仅能像金属一样，具有很好的导热性能和导电性能，具有较高的弹性模量和剪切模量，相对密度低，易于机械加工。Ti2AlC也像陶瓷一样，具有较高的熔点，优异的耐化学腐蚀性能，抗热震性能好、高温下具有良好的热稳定性以及抗氧化性能，具有良好的高温塑性。因此Ti2AlC在高温、化学腐蚀条件下可以用作各类减摩构件，像风扇轴承、特殊的机械密封件、化学反应釜搅拌器轴承等。由于Ti2AlC自身的层状结构，因此Ti2AlC能和石墨一样具有优良的自润滑性能和低的摩擦系数，可用作新一代的电刷和电极材料。然而，由于Ti2AlC陶瓷材料强度和硬度低，抗蠕变强度较低,限制了其作为高温结构材料的应用。而向Ti2AlC陶瓷材料中加入其它传统陶瓷材料，可以明显地强化Ti2AlC的综合性能。如向Ti2AlC中引入TiC、SiC、Al2O3等增强相，可以使其成为很好的增强增韧材料,增强效果明显,从而使其力学性能提高。因此Ti2AlC复合材料作为高温结构材料，是高温发动机理想的侯选材料。引入第二相进行复合强化是目前改善Ti2AlC陶瓷材料综合性能的有效措施。由于Al2O3具有较高的硬度和高的弹性模量，优异的化学稳定性，具有耐高温、抗磨损、耐腐蚀等优点。尤其具有同Ti2AlC接近的热膨胀系数(Al2O3的热膨胀系数为8.3×10-6K-1；Ti2AlC的热膨胀系数为8.2±0.2×10-6K-1)。因此常选用Al2O3颗粒来改善Ti2AlC材料的强度和硬度。陶瓷制备方法有无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和高温自蔓延烧结等技术。但热压烧结、热等静压烧结存在耗时长，成本高，生产效率低等缺点；高温自蔓延烧结反应条件苛刻，反应过程难以控制，难以获得较高的致密度；而无压烧结技术同样也存在致密度较低这一缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于制备高强度的Ti2AlC为基体的复合材料，通过添加Al2O3纤维作为第二相，在等离子放电烧结下，制备的材料具有99％以上的致密度，具有高的强度和良好的韧性。Al2O3纤维相较Al2O3颗粒性能更好，生产制备Al2O3纤维的方法有很多，包括气相法、前驱体法、熔融抽丝法、湿氢法等方法，目前市场上可以商业购买到Al2O3纤维。与碳纤维、碳化硅纤维等非氧化物纤维和金属纤维比较，Al2O3纤维同样具有高强度、高模量、热导率小、热膨胀系数低、抗化学侵蚀、高耐热和耐高温氧化，在高温下具有较高的拉伸强度。其表面活性好，易与陶瓷等基体复合，形成性能优异的复合材料。因此本专利技术选择采用商业购买的Al2O3纤维制备一种致密的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料。等离子烧结技术制备过程中升温速度快，保温时间短，烧结的压力小，具有烧结温度低，烧结时间短，致密度高等优点，因此本专利技术选择在等离子放电烧结炉中制备一种致密的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料。本专利技术的技术方案是：一种致密的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料，复合材料基体晶粒为片层状结构，Al2O3纤维均匀的分布在基体Ti2AlC中，基体晶粒的尺寸为5-20微米之间，阿基米德法测试的上述复合材料的致密度大于99％。上述复合材料中Al2O3纤维含量为20vol.％。本专利技术的另一目的是提供一种高强度和高致密度的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料的制备方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种致密的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料的制备方法，以Ti2AlC粉末和Al2O3纤维为原料，先将Al2O3纤维在200-400℃下进行处理，再手工研磨至长度为50-200微米，将该Al2O3纤维与Ti2AlC粉末混合后球磨12-24h；再在等离子放电烧结炉中在1000-1500℃温度下施加10-100MPa的压力加压成型，保温时间为1-60min。上述Ti2AlC粉末的粒度为5微米-20微米，Al2O3纤维含量为20vol.％。上述Ti2AlC粉末的粒度为5微米，Al2O3纤维为原料总量的20vol.％，将上述Ti2AlC粉末与手工研磨后的Al2O3纤维混合后球磨12h，装入等离子烧结炉中，在40MPa压力下和1300℃温度下烧结成型，保温时间为20分钟。上述Ti2AlC粉末的粒度为20微米，Al2O3纤维为原料总量的20vol.％，将上述Ti2AlC粉末与手工研磨后的Al2O3纤维混合后球磨24h，装入等离子烧结炉中，在100MPa压力下和1200℃温度下烧结成型，保温时间为60分钟。上述Ti2AlC粉末的粒度为10微米，Al2O3纤维为原料总量的20vol.％，将上述Ti2AlC粉末与手工研磨后的Al2O3纤维混合后球磨24h，装入等离子烧结炉中，在60MPa压力下和1150℃温度下烧结成型，保温时间为30分钟。本专利技术高强度的Ti2AlC复合材料，以Ti2AlC为基体，添加Al2O3纤维作为第二相，得到材料的晶粒尺寸为5-20微米，具有较高的强度。本专利技术制备高强度Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料的方法，通过等离子放电烧结的方法致密化，其Al2O3纤维能够均匀的分布在基体Ti2AlC上。本专利技术制备高强度Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料的方法，改变Al2O3纤维的含量，材料的强度、硬度和断裂韧性都有着明显的改变。所述制备Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料的方法，以商业化的Ti2AlC粉末、Al2O3纤维作为原料，Ti2AlC粉末的晶粒尺寸分布在5-20微米，纤维的直径大约为20微米。先将Al2O3纤维在400℃下进行处理，再手工研磨Al2O3纤维至长度为50-200微米，将纤维与Ti2AlC粉末混合后球磨12h，装入等离子放电烧结炉中，在10-100MPa压力下和1000-1500℃的温度下烧结，保温时间为1-60min。从而，制备出高强度，组织均匀的复相陶瓷材料。本专利技术的优点是：1.致密度高、烧结温度低，烧结时间短。本专利技术以商业板状的Ti2AlC粉末和Al2O3纤维为原料，通过等离子放电烧结的方法制备出致密的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料。制备过程中升温速度快，保温时间短，烧结的压力小。2.力学性能好、导热性能好。所制备的复合材料，其致密度都达到99％以上，三点弯曲强度达到450MPa以上，能满足高温结构材料的强度要求。附图说明图1a为本专利技术Ti2AlC/610-Al2O3纤维复合材料的X射线衍射图谱。图1b为本专利技术Ti2AlC/720-Al2O3纤维复合材料的X射线衍射图谱。图2a和图2b分别为本专利技术Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料的相对致密度曲线图和显微硬度曲线图。图3a和图3b分别为本专利技术Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料的弯曲强度曲线图和断裂韧性曲线图。图4a为Ti2AlC/610-Al2O3纤维复合材料的SEM照片。图4b为Ti2AlC/720-A本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种致密的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料，其特征在于：所述复合材料基体晶粒为片层状结构，Al2O3纤维均匀的分布在基体Ti2AlC中，基体晶粒的尺寸为5‑20微米之间，阿基米德法测试的上述复合材料的致密度大于99％。

【技术特征摘要】
1.一种致密的Ti2AlC/Al2O3纤维复合材料，其特征在于：所述复合材料基体晶粒为片层状结构，Al2O3纤维均匀的分布在基体Ti2AlC中，基体晶粒的尺寸为5-20微米之间，阿基米德法测试的上述复合材料的致密度大于99％。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述复合材料中Al2O3纤维含量为20vol.％。3.一种如权利要求1或2所述的复合材料的制备方法，其特征在于，以Ti2AlC粉末和Al2O3纤维为原料，先将Al2O3纤维在200-400℃下进行处理，再手工研磨至长度为50-200微米，将该Al2O3纤维与Ti2AlC粉末混合后球磨12-24h；再在等离子放电烧结炉中在1000-1500℃温度下施加10-100MPa的压力加压成型，保温时间为1-60min。4.根据权利要求3所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述Ti2AlC粉末的粒度为5微米-20微米，Al2O3纤维含量为20vol.％。5.根据权利要求3所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述Ti2A...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡春峰，朱德贵，周加敏，许璐迪，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51