一种快速合成Ti3SiC2亚微米粉体的方法技术

本发明专利技术提供一种快速合成Ti3SiC2亚微米粉体的方法，它包括如下步骤：1)以Ti粉、SiC粉和TiC粉为原料，Al粉为合成促进剂，按Ti：SiC：TiC：Al=(4~4.05)：(2~2.1)：(1~1.15)：(0.2~0.25)的摩尔比配料；2)将上述配料干磨，然后湿磨；3)将球磨球过筛清洗后得到混合悬浊溶液，混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥，得到预处理好的混合粉末；4)将上述混合粉末压制成型制成块体；5)将上述块体置于真空炉中，以15~20℃/分钟的升温速率将炉温升到1330~1340℃，在真空度1×10-3~1×10-2Pa条件下处理，保温时间3~4分钟，制备出Ti3SiC2粉体；6)将制备的Ti3SiC2粉体干磨，将球磨球过筛得到亚微米Ti3SiC2粉体。本方法工艺简单、容易控制和规模化生产，生产成本低，且制得的Ti3SiC2粉体纯度较高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种亚微米Ti3SiC2粉体的快速合成制备方法。
技术介绍
最近，材料科学家们在不断地研究新型的高性能陶瓷材料，使之既具有陶瓷材料耐高温、抗氧化、高强度的特点，又具有金属材料良好的导电性、导热性、塑性和可加工性的特点。金属陶瓷复合材料尽管在一定的程度上解决了陶瓷的许多缺陷，但是在金属与陶瓷的中间结合的抗氧化性和耐高温性能差，容易脆裂。1980年以来，由于纤维、晶须、碳纳米管等增强剂的迅速发展和航空高推重比发动机的需求，陶瓷基复合材料成为了研究的热点。 尽管采用纤维、晶须、碳纳米管等增强使其脆性得到了改善，但是制备成本昂贵、可靠性差、 不容易大规模生产，使这种陶瓷基复合材料难以得到广泛应用。1960年，Vienna的Hans Nowotny的课题组发现了 100多种新的碳化物和氮化物， 它们之中有30多种“H相化合物”。这些“H相化合物”中有一种名为MAX新型三元化合物的金属陶瓷，其中M是过渡金属，A大部分是第三和第四主族元素，X是C或N。这类化合物既具有金属的高热导、高电导性能、易加工性；又具有陶瓷的质硬、轻质、抗氧化、抗热震性、 抗磨损性能。MAX相化合物是一种新型固体，在纳米级别上表现为真正的层状；它们在高温条件下是热动力学稳定的(甚至达到2300°C)；金属化学键、层离倾向和位错移动赋予它们独一无二的耐损伤性，这种耐损伤性能在蠕变、抗疲劳、拉伸和压缩试验中表现很明显。在热、电、塑性、耐化学腐蚀性方面它们享有许多原料组成中二元金属碳化物和氮化物拥有的优良特性。如质硬、导电、导热、容易加工、相对较软、抗热震、不同寻常的耐损伤性能；它们是唯一通过扭结、剪切带的形成以及颗粒分层来变形的多晶固体化合物。MAX类化合物独特的性能加强了其作为高温结构材料的应用，保护性薄膜，传导器，低摩擦表面，电子接触器件，微电子系统的协调阻尼膜和其他应用。Ti3SiC2是MAX家族中具有代表性的新型三元层状化合物。Ti3SiC2既像金属一样是一种优良的导电、导热体，容易加工，相对较软、耐热震、高温表现为塑性；又像陶瓷一样抗氧化、能够重复加工，最重要的是它能在高温下保持一些超合金不能保证的强度。其理论密度较低(4. 52g/cm_3)，高熔点(约30000C )，高温稳定性达到1700°C (氩气气氛或真空条件下)。在室温条件下，它的电导和热导系数分别为4.5\10%-1111-1和371/1111(;硬度为 4GPa (HV)，杨氏模量约为325GPa，断裂韧性约为7MPa ·πιν2，热膨胀系数为9. 2Χ 10_6°C Λ在 1200°C时发生脆到塑性的转变，能够吸收外界能量。在1300°C时，其弯曲和压缩屈服点分别为100和500MPa。在900 1400°C、活性能量为370士20kJ/mol的条件下，它在空气中的氧化行为呈抛物线。室温下连续变形后，其定向微结构(特别它的多孔状态)表现出延展行为。Ti3SiC2结合了许多金属和陶瓷的很多优良的性能，决定了其在机电、仪表、冶金、化工、 汽车、船舶、石化、航天、国防等领域具有广泛的应用。抗氧化、抗热震、高屈服点、相对密度低，以及优良的综合机械性能符合轴承、涡轮叶片和锭子的使用环境，是高温发动机理想的候选材料；容易加工，使其可进行打孔、切削等机械加工，因而可用于制备复杂的结构材料，代替一般的可加工性陶瓷；抗热冲击、高温导电、导热性能的组合使其可运用于一般合金熔化的优选材料，特别是Al的熔化；良好的导电、导热性能，及高强度、耐氧化、低摩擦系数和极佳的自润滑性能，因此完全可以代替石墨作为新一代电刷和电极材料；而且，Ti3SiC2也是一种极好的高温固体耐磨损/自润滑材料。因此，Ti3SiC2极有可以代替传统的陶瓷基金属复合材料，成为新一代高性能陶瓷材料。由于Ti3SiC2在各个方面应用很广，所以简单、批量地生产高纯、晶粒尺寸小的 Ti3SiC2粉料来制备各种结构部件变得非常重要。近十几年来，国内外学者对Ti3SiC2及其复合材料的合成、组织、结构和性能等方面进行了大量系统的研究。目前大部分研究者用 Ti粉、Si粉、C粉或者Ti粉、TiC粉、Si粉为原料来合成Ti3SiC2。现在Ti3SiC2主要以块体和粉末两种形式形成。Ti3SiC2块体合成方法主要有热压烧结(HP)、放电等离子烧结 (SPS)或者脉冲放电等离子烧结(PDS)、热等静压法(HIP)；打35比2粉末合成的方法主要有 热压烧结(HP)、高温自蔓延反应(SHS)、高能球磨法(MA)、气氛烧结和真空烧结法(Vacuum sintering)。目前Ti3SiC2合成及其制备相关功能性结构性部件时会存在一些问题(1)常用的合成原料中，如Ti/Si/C、Ti/TiC/Si，反应过程中Ti与C或者Si的直接反应会导致热量突然集中的现象，加上烧结温度太高会使得部分Si粉来不及反应而蒸发损失，这会导致原料摩尔计量比发生变化，不利于Ti3SiC2高纯相的合成，通常会有TiC、 SiC与Ti5Si3等杂质相的存在；而且Si粉的蒸发也可能导致烧结炉部件的损坏，导致合成成本增加。(2)原料中Ti粉和TiC粉价格相对较高，原料成本在一定程度上会影响Ti3SiC2高纯粉末的大规模生产。(3)1133比2块体和粉末的合成方法都存在一定的缺陷。HP、HIP、SPS等快速烧结的办法尽管能在低温条件下合成致密度很高的纯Ti3SiC2块体及其复合材料，但是其设备成本往往很高，不易大规模生产；而且这些烧结方法(特别是SPS和PDQ也难以制备大尺寸、 形状复杂的结构部件。SHS可以在短时间内合成Ti3SiC2粉，但是其合成温度大部分是靠原料本身的过量来提供燃烧能量，这肯定会增加合成成本；而且其反应过程很不好控制，工艺参数也难以准确定位。MA可以通过很简单的步骤来合成Ti3SiC2粉末，但是其要求的工艺条件太过苛刻(球磨转速达500 600转/分钟)，对设备本身的要求太高，也会间接增加成本；气氛烧结合成Ti3SiC2往往合成温度高、杂质多，不利于规模化生产Ti3SiC2粉末。为了降低合成温度减少Si的挥发，促进合成过程中粉末更好地分散反应，通常在原料中加一些烧结助剂，如 Al、CaF2 和 NaF 等。文献 (Y. Zou, Ζ. Μ. Sun, S. J. Tada， et al. J. AlloysCompd. ,2008,461(1-2) :579-584.)中报道利用 Ti、TiC 和 Si 粉作为原料， Al作为合成促进剂，在真空炉中合成，温度范围是700 1500°C，升温速率为15°C/min，研究结果表明A1的存在不仅能够降低合成温度，同时能够加快Ti3SiC2的形成，但是有TiC、 Ti5Si3 等杂质；文献 (Ζ·Μ· Sun, S. L. Yang, H. Hashimoto. J. Alloys Compd.，2007， 439(1-2) :321-325.)报道以Ti、SiC和C粉作为反应原料，Al作为合成添加剂，摩尔计量比为3Ti/SiC/C/0. 2A1 (0. 15A1)，通过PDS烧结法，温度范围1200 1350°C，保温15分钟， 压力50MPa，实验结果表明A1在烧结过程中对Ti3SiC2本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．　快速合成Ｔｉ３ＳｉＣ２亚微米粉体的方法，其特征在于它包括如下步骤：１）以Ｔｉ粉、ＳｉＣ粉和ＴｉＣ粉为原料，Ａｌ粉为合成促进剂，按Ｔｉ：ＳｉＣ：ＴｉＣ：Ａｌ＝（４～４．０５）：（２～２．１）：（１～１．１５）：（０．２～０．２５）的摩尔比配料；２）将上述配料干磨，然后湿磨；３）将球磨球过筛清洗后得到混合悬浊溶液，混合悬浊溶液过滤去除滤液后，真空干燥，得到预处理好的混合粉末；４）将上述混合粉末压制成型制成块体；５）将上述块体置于真空炉中，以１５～２０℃／分钟的升温速率将炉温升到１３３０～１３４０℃，在真空度１×１０－３～１×１０－２Ｐａ条件下处理，保温时间３～４分钟，制备出Ｔｉ３ＳｉＣ２　粉体；６）将制备的Ｔｉ３ＳｉＣ２　粉体干磨，将球磨球过筛得到亚微米Ｔｉ３ＳｉＣ２粉体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓亮，彭美超，章桥新，祝志伟，王莽，冯四平，秦海波，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83