一种氮化钛多孔陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化钛多孔陶瓷及其制备方法，按质量百分比，包括下述组分：氧化钛６５～７２％、烧结助剂１～１０％、碳黑１８～２３％、氮化钛晶种１～１０％。将上述初始粉末湿法球磨混合，干燥后过筛制得造粒料，然后将造粒料填入模具中，采用压力成型工艺得到成型坯件，放入气氛炉中，在氮气压力为高于１个大气压下加热到１６００～１７００℃保温１～４小时，即获得烧结体。本发明专利技术使用低成本的氧化钛和碳黑为原料制备高气孔率的氮化钛多孔陶瓷，可以克服传统方法制备氮化钛多孔陶瓷工艺复杂，成本过高的缺点，除此之外，这种方法对环境非常友好。所得氮化钛多孔陶瓷可用于热阻材料和超导材料等电子器件，目前已成为一种有广泛用途的结构陶瓷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多孔陶瓷及其制备方法，特别涉及一种氮化钛多孔陶瓷及其制备方法。
技术介绍
氮化钛是一种重要的功能结构一体化的工程材料，具有较高的导热性和超导性； 同时，它又有熔点高，硬度大，密度小，摩擦系数小等特性，目前氮化钛多孔陶瓷已成为一种 有广泛用途的结构陶瓷，可用于热阻材料和超导材料等电子器件，以及金属基复合材料的 增强相中。现有的氮化钛多孔陶瓷材料的制备方法主要是直接氮化法，用金属钛粉末为主 要起始原料先制作多孔成型体，再放在氮气中进行氮化反应制造氮化钛多孔陶瓷。金属钛 氮化的反应式为Ti+N — TiN。该方法的缺点是由于氮化钛的扩散系数太低，而且金属钛粉 末氮化过程中，表面会产生氮化钛薄膜严重阻碍金属钛粉末内部的氮化过程，导致金属钛 粉末不能完全氮化。有研究发现采用特殊处理过的钛粉末进行氮化反应，可以完全氮化。但 是钛粉末需要特殊处理，增加了制备成本。所以直接氮化法生产工艺复杂，成本过高，制备 的氮化钛多孔陶瓷纯度不高，不利于工业化生产。有关直接氮化法制备氮化钛多孔陶瓷可 参见Pivkina A. Reaction-Bonded Titanium Nitride Ceramics. Journal of the European Ceramic Society, 1956，16 :3542。
技术实现思路
本专利技术的目的是改进现有氮化钛多孔陶瓷制备方法所存在的缺陷，提供一种利用 碳热还原法制备氮化钛多孔陶瓷的新工艺，具有产品性能优异、生产工艺简单，制备成本低 的优点。 为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的 —种氮化钛多孔陶瓷，按质量百分比，包括下述组分氧化钛65 72%、烧结助剂 1 10%、碳黑18 23%、氮化钛晶种1 10%，其中烧结助剂选自1Ia族氧化物、IIIa族 氧化物、稀土元素氧化物或碳化物的任一种。 以上方案中，所述氧化钛与碳黑的质量比值为3 4。所述氧化钛，其Ti02含量> 95%重量，平均粒径在1. 2 2 ii m。所述氮化钛晶种，其TiN含量> 95%重量，粒径d5。小 于5iim。所述碳黑，其C含量〉95X，粒径d5。小于80nm。 前述氮化钛多孔陶瓷的制备方法，包括下述步骤 (1)按重量百分数氧化钛65 72%、烧结助剂1 10%、碳黑18 23%、氮化 钛晶种1 10%分别进行称量，湿法球磨干燥后制备成混合粉末； (2)将混合粉末过筛制成造粒料； (3)根据所需制品形状选择模具，将上述造粒料装入模具型腔内，模压成形为坯 件； (4)将坯件在氮气气氛下快速升温到120(TC，再慢速升温到150(TC，然后以30. 6°C /min的升温速度升温到1600-170(TC下保温1 4小时，烧结过程中始终通入流动氮 气，最后随炉冷却，即获得氮化钛多孔陶瓷。 上述方法中，步骤(1)中氧化钛与碳黑的质量比值为3 4。 所述步骤(4)中氮气气氛压力为> 1个大气压。流动氮气的流量为3L/min。快速 升温是以20°C /min的升温速度进行；慢速升温是以1. 6°C /min的升温速度进行。 本专利技术制备的氮化钛多孔陶瓷是利用氧化钛通过碳热还原反应 Ti02+2C+1/2N2 — TiN+2C0转变成氮化钛，它的优点是( 一 )原料成本低，工艺简单；(二 ) 除了 CO气体外，没有有害气体放出，得到的氮化钛多孔陶瓷纯度非常高，成分容易控制； (三)反应产生40%的重量损失，可以得到较高的气孔率。 按照本专利技术的方法，通过调整配方组成，可以得到具有不同气孔率和力学性能的 氮化钛多孔陶瓷。该制备工艺因为利用碳热还原法的优点，以廉价的氧化钛粉末、碳黑为主 要原料从而可进一步降低生产成本。与现有氮化钛多孔陶瓷的制备工艺相比，本专利技术方法 具有生产工艺简单，制备成本低的优点。该工艺制备的氮化钛多孔陶瓷微观组织晶粒细小， 气孔分布均匀。可以广泛应用于可用于热阻材料和超导材料等电子器件，以及金属基复合 材料的增强相中。附图说明 图1为实施例1烧结后的显微形貌照片。 图2为实施例2烧结后的显微形貌照片。 图3为实施例10烧结后的显微形貌照片。具体实施例方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。 氮化钛多孔陶瓷，其组成如表1所示，在表1所示的实施例1 18中，组成氧化钛 的粒径一般控制在1. 2 2 i！ m，若小于1. 2 ii m，粉末容易团聚，并且模压时会产生分层，不 利于产品性能，若大于2ym，产品的气孔率过大，晶粒粗大，力学性能下降。因此氧化钛的粒 径最好控制在1. 2 2 ii m之间。 氧化钛和碳黑的质量比值最好为3 4，若大于4时，氧化钛在烧结体内残留，得到 的多孔陶瓷的耐热性和耐腐蚀性会降低；若小于3时，容易形成碳化钛，影响多孔陶瓷的力 学性能。碳可以为任意形态的碳，例如木炭，碳黑，也包括碳的前驱体，比如各种树脂，也可 以利用碳黑和碳的前驱体的混合物，表1实施例采用碳黑，其C含量〉95%，粉料平均粒径 d50小于80nm。 表1组成中的烧结助剂的添加量为1 10%。超过10%，多孔陶瓷的收縮率加 大，造成气孔率的减小以及大量的晶间玻璃相。若小于1%会导致烧结致密化程度低，力学 性能下降。这里所述的烧结助剂，主要是指在烧结的高温领域内变化成玻璃的金属氧化物。 也包括一种或数种成分的氧化物通过反应能够变为玻璃相的混合物，以及一些碳化物。这 样的烧结助剂如表1实施例选自所述的烧结助剂所述的烧结助剂选自IIa族氧化物MgO， 111￡1族氧化物八1203，稀土元素氧化物1^203 La203 Y203或碳化物SiC的任一种；氮化钛晶种 的添加量为1 10X，其TiN含量〉95X重量，平均粒径d5。小于5iim。氮化钛晶种的添加量超过10%，多孔陶瓷的气孔率减小，原料成本增加。若小于1%会导致碳热还原反应不 完全。 表1本专利技术氮化钛多孔陶瓷的组成及烧结条件 <table>table see original document page 5</column></row><table> 表1实施例组成的氮化钛多孔陶瓷的制备方法，先将氧化钛粉末、氮化钛晶种、碳 黑，烧结助剂按表1所示不同组成分别称量，并用酒精作为溶剂湿法球磨12小时以上。经 干燥后，得到不同组分的混合粉末，用40目分样筛过筛制成造粒料，将不同组分的造粒料 分别装入模具型腔内，采用压力成型工艺得到各相应组分的坯件，最后将各坯件分别放入 气氛炉中，在氮气气氛下以20°C /min的升温速度加热到1200°C，以1. 6°C /min的升温速度 加热到1500°C，以0. 6°C /min的升温速度加热到1600-1700。C下保温1 4小时，获得相应 组分的烧结体。烧结过程中始终通入流动氮气，流动氮气的流量为3L/min，氮气气氛压力为 l个大气压以上。 如果烧结温度不到160(TC，碳热还原反应不能彻底完成。如果烧结温度超过170(TC，会使氮化钛多孔陶瓷气孔率太低。升温速度最好以20°C /min的升温速度加热到 1200°C，以1. 6°C /min的升温速度加热到1500°C，以0. 6°C /min的升温速度加热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化钛多孔陶瓷，其特征在于，按质量百分比，包括下述组分：氧化钛６５～７２％、烧结助剂１～１０％、碳黑１８～２３％、氮化钛晶种１～１０％，其中烧结助剂选自Ⅱａ族氧化物、Ⅲａ族氧化物、稀土元素氧化物或碳化物的任一种。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建锋，鲁元，陆伟忠，刘荣臻，乔冠军，金志浩，鲍崇高，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]