CN100429326C

CN100429326C - 一种铝碳二铬块体材料的制备方法

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Publication number: CN100429326C
Application number: CNB2005100302286A
Authority: CN
Inventors: 田无边; 王佩玲; 张国军; 阚艳梅
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: CN1743480A

Abstract

本发明涉及一种铝碳二铬块材的制备方法，更确切地说块材中铝碳二铬(Cr₂AlC)相的重量百分含量大于90%块体材料的制备方法，其特征在于：(1)采用铬粉，铝粉和石墨为原料，按照Cr₂AlC的化学计量比配料，其中过量5-60wt%的铝；(2)通过热压反应烧结方法，在保护气氛中，以10-50℃/min的升温速率，1250-1500℃温度和20-30MPa压力下热压时间制备成Cr₂AlC块体材料。

Description

一种铝碳二铬块体材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝碳二铬(Cr₂AlC)块体材料的制备方法，更确切的说是采用铬粉，铝粉和石墨为原料，通过热压反应烧结方法，制备Cr₂AlC相的重量百分含量大于90％块体材料。属于非氧基陶瓷的块材制备领域。

背景技术

众所周知，陶瓷材料的本征脆性使其应用受到一定限制，金属材料高温下(＞1000℃)较低的强度限制了它在高温下的使用。陶瓷基或金属基复合相材料，正是试图通过金属和陶瓷间性能的互补来克服各自的缺点，但从制备工艺的角度来看，此类复相材料自然比单相材料的制备难度高。

Nowotny及其合作者在六十年代报道了一百多种碳化物和氮化物[H.Nowotny，“Struktuchemie Einiger Verbindungen der Ubergangsmetalle mit denelementen C，Si，Ge，Sn”，Prog.Solid State Chem.，H.Reiss，Ed.，2(1970)27]，其中有三十多种称为H相或

相，化学组成为M₂AX(M为过渡族金属元素，A为IIIA或IVA族元素，X为C或N)。还有三种M₃AX₂相，即Ti₃SiC₂，Ti₃GeC₂和Ti₃AlC₂。这些化合物(记为MAX)均具有层状六方结构，前者为M₂X层与A原子所构成的平面层间隔堆垛；后者由M₃X₂层与A层间隔堆垛。然而，由于制备单相样品的困难，直至1996年，M₂AX(或MAX)化合物的性能一直未被开发，有关MAX材料的知识非常有限，而且往往大部分不正确。1996年Barsoum和合作者报道了他们在合成技术和形成单相致密Ti₃SiC₂材料中的重大突破，大大推动了MAX材料的发展[M.W.Barsoum and T.El-Raghy，“Synthesis and Characterization of a Remarkable Ceramic：Ti3SiC2”，J.Am.Ceram.Soc.，79(1996)1953]。研究结果表明，Ti₃SiC₂的密度比Ni基高温合金低得多，而弹性模量和热导率约为它的两倍，维氏硬度4-6GPa，1000℃的屈服强度仍超过400MPa，抗热震温度达1400℃。更为重要的是，Ti₃SiC₂能用普通刀具进行加工，这种可加工性能在陶瓷中是极为罕见的。这些优异性能使得这种层状陶瓷材料具有广阔的应用前景。然而，无论是纯相Ti₃SiC₂还是其复合材料，仍存在一个弱点，即有限的室温塑性和抗氧化性，这已成为制约Ti₃SiC₂在实际应用中的瓶颈。

M₂AX体系中的Cr₂AlC在氧化过程中容易形成抗氧化的Al₂O₃和Cr₂O₃保护层，因此可以预期它在较宽温度范围内具有优良的抗氧化性能；同时较高的Cr和Al含量增加了材料中金属键的含量，有望提高材料的塑性。近来，德国和瑞典科学家利用从头总能量计算法(Ab initio total energy calculations)对M₂AlC(M＝Ti，V，Cr，Nb，Ta)化合物进行了一系列的理论计算[Z.M.Sun，R.Ahuja，S.Li and J.M.Schneider，“Structure and Bulk Modulus of M2AlC(M＝Ti，V，and Cr)”，Appl.Phys.Lett.，83(2003)899]，其中包括研究了M₂AlC(M＝Ti，V，Cr)的体积模量，发现在Ti₂AlC，V₂AlC和Cr₂AlC三个相中，Cr₂AlC具有最高的体积模量(226GPa)，分别比Ti₂AlC和V₂AlC高出36％和15％。计算的结果表明，Cr₂AlC不仅在M₂AlC(M＝Ti，V，Cr，Nb，Ta)中具有最高的体积模量和弹性模量，这些值还分别高于Ti₃SiC₂的体积模量(185-206GPa)和弹性模量(333-339GPa)[Z.M.Sun，S.Li，R.Ahuja and J.M.Schneider，“Calculated Elastic Properties of M2AlC(M＝Ti，V，Cr，Nb and Ta)”，SolidStates Communication，129(2004)589]。因此，Cr₂AlC很有可能成为新的有用三元层状碳化物材料。遗憾的是，至今为止国内外关于Cr₂AlC体材料制备的研究则鲜有报导。

因此，本发明提出一种Cr₂AlC相的重量百分含量大于90％块体材料的制备方法，以加深对Cr₂AlC材料的认识和进一步的开发。

发明内容

本发明目的是提供一种Cr₂AlC块体材料的制备方法，用本发明提供的方法Cr₂AlC相的重量百分含量大于90％。

本发明的目的是通过下列方式实施的。即采用铬粉，铝粉和石墨为原料，通过控制热压反应进行烧结。

具体实施方法：

(1)原料：包括铬粉(30μm，99.95％)，铝粉(100μm，99.95％)和碳粉(1.5μm，99％，)。将粉末按照设计的摩尔比称重，并球磨24小时，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。

(2)制备：将粉料压制成圆片，置于内表面涂敷B N的石墨模具中，先抽真空(10^-2～10^-3Pa)，然后通入流动Ar或N₂保护气，热压温度为1250-1500℃，时间为1-4小时，平均升温速率为10-50℃/min，热压压力为20-30MPa。待样品冷却取出后，再用磨床和抛光机加工，制得Cr₂AlC块材。

(3)评价：用XRD和密度测试检验样品的制备效果。

本发明的优点是：

(1)对原料纯度要求不高，制备工艺条件比较常规，容易实现。

(2)所制备体材料中Cr₂AlC相的质量百分含量大于90％。

附图说明

图1是本发明提供的实施例1得到样品的XRD图谱。

图2是本发明提供的实施例2得到样品的XRD图谱。

图3是本发明提供的实施例3得到样品的XRD图谱。

图4是本发明提供的实施例4得到样品的XRD图谱。

图5是本发明提供的实施例5得到样品的XRD图谱。

图6是本发明提供的实施例6得到样品的XRD图谱。

具体实施方式

实施例1

以铬粉(30μm，99.95％)，铝粉(100μm，99.95％)和碳粉(1.5μm，99％，)为原料。按照Cr∶Al∶C＝2∶1.1∶1的摩尔比称重，并球磨24小时，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。将粉料压制成圆片，置于表面涂敷B N的石墨模具中，先抽真空，然后通入流动Ar保护气，在1400℃以25MPa压力热压2小时。待样品冷却取出后，再用磨床和抛光机加工，就得到Cr₂AlC块材。材料的XRD如图(1)所示，Cr2AlC相含量为94wt％。体积密度为5.20g/cm³。

实施例2

以铬粉(30μm，99.95％)，铝粉(100μm，99.95％)和碳粉(1.5μm，99％，)为原料。按照Cr∶Al∶C＝2∶1.2∶1的摩尔比称重，并球磨24小时，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料，将粉料压制成圆片，置于表面涂敷B N的石墨模具中，先抽真空，然后通入流动Ar保护气，在1450℃以20MPa压力热压1小时。待样品冷却取出后，再用磨床和抛光机加工，就得到Cr₂AlC块材。材料的XRD如图(2)所示，Cr₂AlC相含量为99wt％。体积密度为5.12g/cm³。

实施例3

以铬粉(30μm，99.95％)，铝粉(100μm，99.95％)和碳粉(1.5μm，99％，)为原料。按照Cr∶Al∶C＝2∶1.4∶1的摩尔比称重，并球磨24小时，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。将粉料压制成圆片，置于表面涂敷B N的石墨模具中，先抽真空，然后通入流动Ar保护气，在1350℃时加20MPa压力热压1小时。待样品冷却取出后，再用磨床和抛光机加工，就得到Cr₂AlC块材。材料的XRD如图(3)所示，Cr₂AlC相含量为99wt％。体积密度为5.09g/cm³。

实施例4

以铬粉(30μm，99.95％)，铝粉(100μm，99.95％)和碳粉(1.5μm，99％，)为原料。按照Cr∶Al∶C＝2∶1.6∶1的摩尔比称重，并球磨24小时，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。将粉料压制成圆片，置于表面涂敷B N的石墨模具中，先抽真空，然后通入流动Ar保护气，在1350℃时加20MPa压力热压1小时。待样品冷却取出后，再用磨床和抛光机加工，就得到Cr₂AlC块材。材料的XRD如图(4)所示，Cr₂AlC相含量为99wt％。体积密度为5.00g/cm³。

实施例5

以铬粉(30μm，99.95％)，铝粉(100μm，99.95％)和碳粉(1.5μm，99％，)为原料。按照Cr∶Al∶C＝2∶1.1∶1的摩尔比称重，并球磨24小时，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。将粉料压制成圆片，置于表面涂敷B N的石墨模具中，先抽真空，然后通入流动N₂保护气，在1400℃以20MPa压力热压1小时。待样品冷却取出后，再用磨床和抛光机加工，就得到Cr₂AlC块材。材料的XRD如图(1)所示，Cr2AlC相含量为96wt％。体积密度为5.19g/cm³。

实施例6

以铬粉(30μm，99.95％)，铝粉(100μm，99.95％)和碳粉(1.5μm，99％，)为原料。按照Cr∶Al∶C＝2∶1.1∶1的摩尔比称重，并球磨24小时，所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料。将粉料压制成圆片，置于表面涂敷B N的石墨模具中，先抽真空，然后通入流动Ar保护气，以10℃/min的速率升温到1400℃，在此温度下以20MPa压力热压1小时。待样品冷却取出后，再用磨床和抛光机加工，就得到Cr₂AlC块材。材料的XRD如图(5)所示，Cr2AlC相含量为98.5wt％。体积密度为5.20g/cm³。

Claims

1.一种铝碳二铬块体材料的制备方法，其特征在于步骤如下：

(1)原料采用铬粉，铝粉和碳粉，按照Cr₂AlC化学式的摩尔比配比时，过量5～60at％的铝粉；

所述的铬粉，纯度为99.95％，粒径为30μm；

所述的铝粉，纯度为99.95％，粒径为100μm；

所述的碳粉，纯度为99％，粒径为1.5μm；

(2)按步骤(1)称量后，以无水乙醇为溶剂，用Si₃N₄球球磨所得浆料烘干后得到混合均匀的粉料，压成素坯；

(3)将步骤(2)所制得的素坯放在内壁表面涂覆BN的石墨模具中，先抽真空，然后通入流动的氩气或氮气保护气氛，进行热压反应烧结，热压温度为1250-1500℃，保温1-4hr，压力为20-30Mpa。

2.按权利要求1所述的一种铝碳二铬块体材料的制备方法，其特征在于热压反应烧结时升温速率为10-50℃/min。

3.按权利要求1所述的一种铝碳二铬块体材料的制备方法，其特征在于先抽真空的真空度为10^-2～10^-3Pa。

4.按权利要求1～3中任意一项权利要求所述的一种铝碳二铬块体材料的制备方法，其特征在于所制备的块体材料中Cr₂AlC相的重量百分含量大于90％。