一种TiC/Ti复合泡沫材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及泡沫碳化钛材料领域，具体地说是一种TiC/Ti复合泡沫材料及其制备方法，解决现有技术中烧结性能较差等问题。所述TiC/Ti复合泡沫材料为三维连通网络结构，相结构由碳化钛和碳-钛固溶体组成。将剪裁后的泡沫塑料浸入由含钛粉料、高残碳率树脂、无水乙醇混合制成的浆料中，取出后除去多余浆料，经半固化-高温固化-热解，得到与原始泡沫形状一样的，由碳化钛与热解碳组成的泡沫状骨架。上述泡沫骨架经浸挂含钛浆料-烘干-高频感应加热增钛，循环若干次，最终制得TiC/Ti复合泡沫材料。该技术工艺简单，无需复杂设备。所制备的复合泡沫材料致密度和抗压强度较高，具有一定的韧性以及良好的焊接性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及泡沫碳化钛材料领域，具体地说是ー种TiC/Ti复合泡沫材料及其制备方法。
技术介绍
泡沫材料是ー种特殊的多孔材料。其几何结构特征是以多边形封闭环为基本单元，各基本単元相互连接形成的三维连通网络，此类结构的材料拥有质量轻、孔隙率可调、高滲透率等诸多优点。碳化钛具有高熔点、高硬度、高化学及热稳定性、良好的导电性、低密度、耐磨等优点。因此，碳化钛基泡沫材料的制备和应用正逐渐受到广泛的重视。由于碳化钛粉体的烧结需要很高的温度，因此在碳化钛基泡沫材料的制备过程中，要获得良好的烧结性能是ー个难点。迄今为止，碳化钛基泡沫材料的制备主要有以下几 种方法粉末烧结法、包混固相反应烧结。粉末烧结法可分为两种不同的过程。其一，首先将一定量烧结助剂(如Ni)与碳化钛粉球磨混合，将混合后的粉料与连接剂(如5wt%聚こ烯醇水溶液)调成合适浓度的浆料，然后浸挂在聚氨酯泡沫上，干燥后，在200 500°C范围内热解连接剂和聚氨酯泡沫。将温度升到1600 2200°C进行烧结便得到泡沫碳化钛陶瓷；另ー种方法是将含有烧结助剂的碳化钛粉与球状发泡剂均匀混合后，用模压或者浇注方式成型。通过熔化或汽化方式脱出发泡剂，而后进行高温烧结获得泡沫碳化钛材料。包混固相反应制备多孔碳化钛材料将树脂溶于こ醇，然后搅拌状态下于溶液中加入TiO2粉料，将所获得的悬浊液注入蒸馏水中并强烈搅拌，经过滤、干燥后制得包覆有树脂的TiO2粉体，将粉体压制成型，真空或者惰性气体保护下高温固相反应烧结，可以制备多孔碳化钛材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供ー种TiC/Ti复合泡沫材料及其制备方法，解决现有技术中烧结性能较差等问题。本专利技术的技术方案是ー种TiC/Ti复合泡沫材料，该TiC/Ti复合泡沫材料由TiC及Ti两相组成，该TiC/Ti复合泡沫材料结构是以多边形封闭环为基本単元，各基本単元相互连接形成三维连通网络结构。本专利技术中，该TiC/Ti复合泡沫材料三维连通网络结构的骨架由TiC和Ti-C固溶体(C的固溶度为O. 5 3at% )组成，其中TiC质量分数为80wt% 99wt%，Ti_C固溶体质量分数为lwt% 20wt%。按原子百分比计,该TiC/Ti复合泡沫材料的总体C元素比例为5 32%。本专利技术中，三维连通网络结构的网孔尺寸为O. 5mm 5mm,骨架体积分数为10% 50%。构成多边形封闭环单元的骨架筋内由岛状的TiC颗粒组成，其平均尺寸在5 μ m 50 μ m ;同时，岛状的TiC颗粒内部由TiC晶粒组成,平均晶粒尺寸在Ιμπι ΙΟμπι。筋内岛状TiC颗粒之间或者泡沫骨架的筋表面层，为C固溶度O. 5 3at%的钛固溶体。ー种TiC/Ti复合泡沫材料的制备方法，以含钛粉料、高分子材料为基本原料，以泡沫塑料为模版，采用高频感应反应烧结，制备过程如下(I)将含钛粉料、高分子材料、无水こ醇经充分球磨混料制成料浆，含钛粉料高分子材料无水こ醇的配比为50 500g : 50 200g : IOOOmL(即姆IOOOmL无水こ醇里，含有50 500g含钛粉料和50 200g高分子材料);再将泡沫塑料骨架浸入浆料中，取出后，用挤压、气吹或离心等方式除去多余的浆料；所述高分子材料选自环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂之ー种或几种。所述浆料中混入的含钛粉料为平均粒度I μ m 50 μ m的钛粉、氢化钛粉、碳化钛粉、氧化钛粉中的ー种或几种。含钛粉料加入量为每IOOg高分子材料中含3 5mol钛原 子。(2)将上述浸挂浆料后的泡沫塑料在热环境中进行充分固化；将裁剪后的聚氨酯泡沫充分浸入浆料中，除去泡沫塑料中多余的浆料后，于80 150°C半固化。根据不同骨架体积分数的要求，挂浆料-半固化可以循环进行若干次，最后将骨架泡沫于200 300°C完全固化。(3)将固化后的泡沫热解，热解在高纯氩气(氩气体积分数> 99. 999% )或其他惰性气体保护下进行，升温速率I 10°C /min，热解温度600 1400°C，保温时间10 300min ；(4)将热解后的泡沫骨架切割加工成所需形状和尺寸的骨架样品，将含钛粉料与无水こ醇或其它可挥发有机溶剂，按每IOOmL无水こ醇或其它可挥发有机溶剂中加入10 50g含钛粉料调制为浆料，骨架样品经浸挂此浆料后充分烘干，然后将样品置于石墨坩埚中，在高纯氩气保护或真空条件下进行高频感应加热，温度1400 1800°C，保温时间I 3min ；为了制备不同钛含量的碳化钛泡沫材料，步骤⑷所述的浸挂浆料-烘干-高频感应加热可以循环进行若干次。本专利技术具有如下有益效果I、本专利技术无需烧结助剂即可获得TiC较高致密度和抗压强度。在高频感应加热增钛过程中，TiH2分解后的Ti与泡沫骨架筋内已有的TiC熔渗，使得TiCx中X的数值小于I。当Ti含量达到适当值时，Ti相(以Ti-C固溶体形式)与TiCx相之间结合良好，与利用TiC粉体烧结制备泡沫材料的方法相比，本专利技术所述方法制备的泡沫材料骨架筋内致密度较高，抗压强度也较高。2、与一般的泡沫陶瓷(如泡沫碳化硅)相比，所制备的TiC/Ti复合泡沫材料具有一定的韧性。从压缩曲线可以看出，TiC/Ti复合泡沫材料在发生破坏之前，应力-应变曲线呈缓慢上升趋势，如图3。与泡沫氧化铝等陶瓷泡沫材料相比，TiC/Ti复合泡沫材料具有较好的导电性。3、本专利技术所制备的TiC/Ti复合泡沫材料与钛合金材料的焊接性能良好，由于均含有Ti元素，可利用高温扩散焊等方法将TiC/Ti复合泡沫材料与钛合金焊接。附图说明图I为TiC/Ti复合泡沫材料的宏观形貌。图2为TiC/Ti复合泡沫材料的XRD图谱。图3为TiC/Ti复合泡沫材料的压缩行为曲线。具体实施例方式下面通过实施例详述本专利技术。实施例I 本专利技术TiC/Ti复合泡沫材料及其制备方法，包括如下步骤(I)氢化钛微米粉的制备在手套箱里将325目的氢化钛粉与正庚烷装入球磨罐，球磨20 40h后，减压挥发去除正庚烷，于手套箱中将球磨罐里的氢化钛粉装入钝化罐，通入含氧量为O. 02 O. 04% (氧气体积分数)的氩气缓慢钝化20 30h，取出后装袋封装待用。(2)浆料的配制将树脂按一定比例溶于无水こ醇中，充分均匀后加入一定量的氢化钛微米粉。在球磨罐中将树脂、无水乙醇、氢化钛微米粉充分磨匀配制得浆料。(3)浸挂将裁剪后的聚氨酯泡沫充分浸入浆料中，除去泡沫孔中多余的浆料后，于80 150°C半固化。根据不同骨架体积分数的要求，挂浆料-半固化可以循环若干次。最后将骨架泡沫于200 300°C完全固化，制得TiH2-树酯复合泡沫骨架。(4)热解将完全固化后的TiH2-树酯复合泡沫骨架于高纯氩等惰性气氛保护下热解，热解温度为800 1200°C，升温速率为I 4°C /min。制得原始TiC泡沫骨架，根据制备要求，其中可能残余过量的由树酯热解的碳或由TiH2分解的Ti。(5)高频感应加热增钛将TiH2粉以无水こ醇调成浆料，将TiC泡沫骨架浸溃于浆料中，取出后除去泡沫大孔中的多余浆料，烘箱中100 150°C烘干20 40min除去多余无水こ醇。将载有TiH2粉的泡沫置于石墨坩埚中，盖上具有中心孔(用于测温)的石墨坩埚盖后，置于石英管中，通入高纯氩气保护。通过高频感应石墨坩埚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TiC/Ti复合泡沫材料，其特征在于该TiC/Ti复合泡沫材料由TiC及Ti两相组成，该TiC/Ti复合泡沫材料结构是以多边形封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络结构；该TiC/Ti复合泡沫材料三维连通网络结构的骨架由TiC和Ti-C固溶体组成，C的固溶度为0. 5 3at%，TiC质量分数为80wt% 99wt%，Ti_C固溶体质量分数为Iwt % 20wt*%。2.按照权利要求I所述的TiC/Ti复合泡沫材料，其特征在于按原子百分比计，该TiC/Ti复合泡沫材料的总体C元素比例为5 32%。3.按照权利要求I所述的TiC/Ti复合泡沫材料，其特征在于三维连通网络结构的网孔尺寸为0. 5mm 5mm，骨架体积分数为10% 50% ;构成多边形封闭环单元的骨架筋内由岛状的TiC颗粒组成，其平均尺寸在5iim 50iim;同时，岛状的TiC颗粒内部由TiC晶粒组成，平均晶粒尺寸在I U m 10 y m ;筋内岛状TiC颗粒之间或者泡沫骨架的筋表面层，为C固溶度0. 5 3at%的钛固溶体。4.一种权利要求I所述的TiC/Ti复合泡沫材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 (1)将含钛粉料、高分子材料、无水乙醇经充分球磨混料制成料浆，含钛粉料高分子材料无水乙醇的配比为50 500g 50 200g IOOOmL ;再将泡沫塑料骨架浸入浆料中，取出后，用挤压、气吹或离心等方式除去多余的浆料； ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张劲松，高勇，徐兴祥，杨振明，张军旗，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：