一种Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料及其原位合成制备方法技术

本发明专利技术涉及一种Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料及其原位合成制备方法。该复合材料由Ti粉、SiC粉、TiC粉、Al粉和石墨烯为原料，采用放电等离子烧结原位合成，其中Al粉为合成促进剂，按Ti：SiC：TiC：Al=4：2：1：0.2的摩尔比配料，石墨烯为Ti粉、SiC粉、TiC粉和Al粉总质量的0.1-0.5wt.%。放电等离子烧结原位合成Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料，省去繁琐的预处理工序，降低了烧结温度、缩短了烧结时间，简化制备工艺，制备的Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料纯度高，材料界面结合强度好，相容性好，且具有优良的力学性能和摩擦学性能。制备过程中所涉及的步骤方法简单便捷，适用于规模化批量生产。

【技术实现步骤摘要】
—种T i 3S i C2-T i C-石墨纟布自润滑复合材料及其原位合成制备方法
本专利技术涉及一种Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料及其原位合成制备方法。
技术介绍
Ti3SiC2由于具备金属和陶瓷的诸多优良性能，使其在机电、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。Ti3SiC2是MAX家族中具有代表性的新型三元层状化合物，其理论密度较低(4.52g.cm_3)，熔点高(约3000°C)，高温稳定性达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 X IO6Q-1HT1和37W/(mK);硬度为4GPa(HV)，杨氏模量约为325GPa，断裂韧性约为7MPa ? m1/2，热膨胀系数为9.2X10_6°C ―1。Ti3SiC2既像金属一样具有优良的导电、导热性，容易加工，相对较软、耐热震、良好高温塑性等优点；又像陶瓷一样具有抗氧化、能够重复加工，高温下保持一些超合金不能保证的强度等优点；而且，Ti3SiC2也是一种极好的高温固体耐磨/自润滑材料。因此，Ti3SiC2可以代替传统的金属/陶瓷基复合材料，成为新的高性能陶瓷材料。为了提高Ti3SiC2及其复合材料的摩擦学性能，国内外学者开展了大量的研究工作。以往的研究很大程度上改善了 Ti3SiC2及其复合材料的摩擦学性能,而节能、环保、高能效、低能耗的趋势对新的复合材料提出了更高的要求，为此，学者们仍在不断寻求更优良的润滑相，不仅具备优良的摩擦学性能，而且能够满足低能耗与污染需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提`供一种Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料及其原位合成制备方法，该自润滑复合材料由Ti粉、SiC粉、TiC粉、Al粉和石墨烯烃放电等离子烧结原位合成，所得的复合材料具有优异的摩擦学性能，且制备方法简单、易操作，制备过程中工艺参数易控制，制备所需原料来源广。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为:一种Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料，它由Ti粉、SiC粉、TiC粉、Al粉和石墨烯为原料原位合成制备而成，按Ti:SiC:TiC:A1=4:2:1:0.2的摩尔比配料，石墨烯为Ti粉、SiC粉、TiC粉和Al粉总质量的0.1-0.5wt.%。上述一种Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料的原位合成制备方法，其特征在于它包括如下步骤:I)按 Ti:SiC:TiC:A1 的摩尔比=4:2:1:0.2 选取 Ti 粉、SiC 粉、TiC 粉和 Al 粉；按Ti粉、SiC粉、TiC粉和Al粉总质量的0.1-0.5wt.%，选取石墨烯；将Ti粉、SiC粉、TiC粉、Al粉和石墨烯混合，得到配料；2)将上述配料置于振动球磨机内干磨，振动球磨机的球磨罐内壁为聚四氟乙烯，振动频率为45Hz，振幅为5mm，振动力为10000N，功率为0.75千瓦，振荡时间为40-60分钟，得到混合粉料；3)将上述混合粉料采用放电等离子烧结得到所述的一种Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料。放电等离子烧结工艺为:烧结温度为1200-1240°c、升温速率为100-120°c /min、烧结压力为40-60MPa、真空度为IXKT2-1XlO-1Pa'保温时间为10_16min，烧结后，得到Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料。本专利技术的有益效果是: 1、原位合成Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料，省去繁琐的预处理工序，简化了制备工艺，且材料界面结合强度高，相容性好。2、制备过程方便、快捷:混合粉料制备过程中采用振动球磨，振荡周期短，操作简单；烧结过程采用SPS进行材料的烧结，烧结反应周期短，工艺稳定，且制备的Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料纯度高。3、制备所需原料来源广、设备简单:具有原料来源广泛、价格较低、设备成本较低、容易控制的特点，并适用于规模化生产。4、采用SPS来制备自润滑复合材料，降低了烧结温度、缩短了烧结时间，节约能源，降低制备成本。5、本专利技术制备的Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料具有良好的力学性能和摩擦学性能。综上所述，本专利技术选取Ti粉、SiC粉、TiC粉、Al粉和石墨烯为原料，采用放电等离子烧结原位合成Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料，制备的自润滑复合材料各相界面结合良好，具有优良的摩擦学性能和力学性能。另外，这种采用放电等离子烧结技术原位合成Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料，其纯度高、致密性好，制备过程中所涉及的步骤方法简单便捷，适用于规模化批量生产的制备技术也是以往所不知道的。【附图说明】图1是本专利技术的制备工艺流程图。图2和图3是本专利技术所用的石墨烯纳米片场发射扫描电镜照片。图4是本专利技术实施例1制备的Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料的断口场发射扫描电镜照片。图5是本专利技术实施例1制得的Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料X射线衍射曲线。图6是本专利技术实施例2制得的Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料摩擦磨损表面断口的场发射扫描电镜照片。图7是本专利技术实施例3制得的Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料摩擦磨损表面的电子探针照片。图8中的(a) - (C)分别为室温条件下，测试本专利技术实施例1、2、3所制得Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料的摩擦系数曲线。图9是室温条件下，测试本专利技术实施例1、2、3所制得Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料的磨损率图，测试条件为:载荷10N、滑动速度0.3m/s、时间30min、摩擦半径2mm。【具体实施方式】以下结合附图和实施例进一步对本专利技术进行说明，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1:如图1所示，本实施例提供一种Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料的原位合成制备方法，它包括如下步骤:I)按 Ti:SiC:TiC:A1 的摩尔比=4:2:1:0.2，称取 8.58g 的 Ti 粉、3.54g 的 SiC粉、2.64g的TiC粉和0.24g的Al粉，共计15g，混合，得到混合粉末；然后添加0.015g石墨烯到上述的混合粉末中，得到配料(配合料)；2)将上述配料置于振动球磨机内干磨，振动球磨罐内壁为聚四氟乙烯，振动频率为45Hz，振幅为5mm，振动力为10000N，功率为0.75千瓦，振荡时间为40分钟，得到混合粉料；3)将上述混合粉料采用放电等离子烧结得到所述的一种Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料。放电等离子烧结工艺为:烧结温度为1200°C、升温速率为100°C /min、烧结压力为60MPa、真空度为I X 10_2_1 X KT1Pa'保温时间为lOmin，烧结后，得到Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料。 图2和图3是实施例中用到的石墨烯的FESEM图片；图4是实施例1所制备的Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料断口的FESEM照片。图2和图3表明石墨烯表面存在褶皱，且石墨烯纳米片的边界清晰，层与层之间透明度高，表明石墨烯由几层结构构成；图4显示实施例1制备出的自润滑复合材料致密度高，石墨烯纳米片嵌入在基体中，与基体界面结合良好，良好的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ti3SiC2‑TiC‑石墨烯自润滑复合材料，其特征在于，它由Ti粉、SiC粉、TiC粉、Al粉和石墨烯为原料制备而成，其中Al粉为合成促进剂，按Ti：SiC：TiC：Al=4：2：1：0.2的摩尔比配料，石墨烯为Ti粉、SiC粉、TiC粉和Al粉总质量的0.1‑0.5wt.%。

【技术特征摘要】
1.一种Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料，其特征在于，它由Ti粉、SiC粉、TiC粉、Al粉和石墨烯为原料制备而成，其中Al粉为合成促进剂，按Ti:SiC:TiC:A1=4:2:1:0.2的摩尔比配料，石墨烯为Ti粉、SiC粉、TiC粉和Al粉总质量的0.1-0.5wt.%。2.—种Ti3SiC2-TiC-石墨烯自润滑复合材料的原位合成制备方法，其特征在于它包括如下步骤: 1)按Ti:SiC:TiC:A1的摩尔比=4:2:1:0.2，选取Ti粉、SiC粉、TiC粉和Al粉；按石墨烯占Ti粉、SiC粉、TiC粉和Al粉总质量的0.1-0.5wt.%，选取石墨烯；将Ti粉、SiC粉、TiC粉、Al粉和石墨烯混合，得到配料； 2)将上述配料置于振动...

【专利技术属性】
技术研发人员：史晓亮，翟文正，徐增师，朱庆帅，肖业成，陈龙，姚杰，宋思远，王玉伏，冯四平，张崧，章桥新，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42