CN101033135A - 一种氧化铝增强钛硅铝碳基陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陶瓷基复合材料及制备方法，具体为一种热压制备氧化铝增强钛硅铝碳基(Ti3Si1－xAlxC2/Al2O3，其中0＜x≤0.1)陶瓷复合材料及其制备方法。Ti3Si1－xAlxC2被原位生成，Al2O3作为增强相存在于Ti3Si1－xAlxC2基体中。具体制备方法是：首先，以钛粉、硅粉、铝粉、石墨粉和氧化铝粉为原料，以无水酒精为介质，在玛瑙罐中球磨16～24小时，干燥并过筛后装入石墨模具中冷压成型(10～20MPa)，在真空或通有氩气的热压炉内烧结，升温速率为10～15℃/分钟，在1500～1600℃烧结，保温时间为30～120分钟，施加压力为20～40MPa。本发明与原位热压制备的Ti3Si1－xAlxC2单相陶瓷相比具有高硬度、高弹性模量、高弯曲强度、高剪切强度、耐磨性能好等综合机械性能优越的特点。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷基复合材料及制备方法，具体为一种热压制备氧化铝增强钛硅铝碳基(Ti3Si1-xAlxC2(0＜x≤0.1))陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
自M.W.Barsoum等通过反应热压技术首次合成块体Ti3SiC2以来(Journal ofthe American Ceramic Society，79(1996)1953-6)，Ti3SiC2以其独特的纳米层状晶粒结构，兼具陶瓷和金属的特点：低密度、低硬度、高模量、高断裂韧性、良好的抗热震性能和高温氧化阻力、良好的导电和导热性，成为极具潜力的高温应用结构材料，已经成为世界研究的热点。Y.C.Zhou等采用Ti、Si和C粉为原料，通过原位热压固/液相反应制备了较纯的Ti3SiC2块体材料(Material ResearchInnovation，2(1998)142-6)。Y.C.Zhou等利用Al代替Ti3SiC2中的一部分Si，制备出了Ti3Si1-xAlxC2固溶体(Materials Research Innovations，8(2004)97-102)。H.B.Zhang等研究认为形成Ti3Si0.9Al0.1C2固溶体可以提高其高温抗氧化性(ActaMaterialia，52(2004)3631-7)。
Ti3SiC2作为结构陶瓷材料，耐磨性对其使用寿命的影响是很大的。T.El-Raghy等报道粗晶Ti3SiC2(100μm)比细晶Ti3SiC2(5μm)具有更高的磨损阻力(Wear，238(2000)125-30)。Y.Zhang等认为Ti3SiC2是非自润滑的，在以自身为对磨副时摩擦系数很高(1.16-1.43)(Materials Letters，55(2002)285-9)。D.Sarkar等研究确定Ti3SiC2磨损伴随着摩擦氧化反应，随加载值增大磨损率也随之增大(Journal ofthe American Ceramic Society，88(2005)3245-8)。综合研究认为Ti3SiC2的耐磨性能不理想，而添加硬质相粒子是提高耐磨性的途径。因为Al2O3具有高弹性模量和高硬度，以及和Ti3SiC2具有化学相容性和相近的热膨胀系数，所以制备Ti3SiC2/Al2O3复合材料成为研究的目标。H.J.Wang等(Ceramics International，28(2002)931-4)采用Ti粉，TiC粉，Si粉和Al2O3粉在SPS系统中热压烧结Ti3SiC2/Al2O3复合材料。Y.M.Luo等(Materials Letters，57(2003)2509-14)通过首先制备Ti3SiC2粉，再用Ti3SiC2粉和Al2O3粉按比例混合制备Al2O3/Ti3SiC2复合材料，工艺复杂，成本较高。S.B.Li等(Composites Science and Technology，63(2003)813-9)以TiH粉，Si粉，C粉和Al2O3粉为原料在真空条件下热压，只合成了8wt.％Al2O3的Ti3SiC2/Al2O3复合材料。均未涉及利用Al2O3来增强Ti3Si1-xAlxC2固溶体。
发明内容
本发明的目的在于设计一种成分可调、力学性能好、耐磨性能优异、操作简单、工艺条件容易控制、成本低的Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷复合材料及其制备方法。
本发明的技术方案是：
一种氧化铝增强钛硅铝碳基陶瓷复合材料，由氧化铝增强相和原位生成的Ti3Si1-xAlxC2基体组成，Al2O3作为增强相存在于Ti3Si1-xAlxC2基体中，Al2O3的含量为5～30vol.％(体积百分含量)。所述Ti3Si1-xAlxC2基体中，Si与Al摩尔比为(1-x)∶x，0＜x≤0.1。
一种制备Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷复合材料的方法，通过热压技术合成，其中Ti3Si1-xAlxC2被原位生成，Al2O3作为增强相存在于Ti3Si1-xAlxC2基体中。
所述制备Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷复合材料的方法，以钛粉、硅粉、铝粉、石墨粉和氧化铝粉为原料，钛粉、硅粉、铝粉、石墨粉之间的原子比例(即摩尔比)为3∶(1-x)∶x∶2，其中0＜x≤0.1。球磨16～24小时，干燥并过筛后装入石墨模具中冷压成型(10～20MPa)，在真空或通有氩气的热压炉内烧结，升温速率为10～15℃/分钟，在1500～1600℃烧结，保温时间为30～120分钟，施加压力为20～40MPa。从而，制备出高硬度、高弹性模量、高弯曲强度、高剪切强度、耐磨性能好等综合机械性能优越的Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷复合材料。
所述加入的钛粉、硅粉、铝粉、石墨粉和氧化铝粉粒度范围为200～600目；所述烧结方式为热压烧结；所述烧结气氛为真空(真空度为10-4～10-2MPa)或氩气；所述混料方式采用在酒精介质下的球磨法。
本发明的优点是：
1.成分可调、工艺简单，成本低。本发明以钛粉、硅粉、铝粉、石墨粉和氧化铝粉为原料，其中氧化铝的体积百分含量可以在原始配比中调节。所烧结的Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷复合材料由Ti3Si1-xAlxC2和Al2O3两相组成，其中Ti3Si1-xAlxC2被原位合成。相对于先合成两相，再混合烧结，使工艺流程变得简单，又大大降低了成本。
2.力学性能好、耐磨性能好。相对于同种方法合成的Ti3Si1-xAlxC2单相陶瓷，所制备的Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷复合材料具有高致密度、高硬度、高弹性模量、高弯曲强度、高剪切强度、耐磨性能好等综合机械性能优越的特点。以Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3为例，当Al2O3增强相的含量为10vol.％(体积百分含量)左右时，材料的弹性模量达到334GPa，硬度为5.2GPa，弯曲强度为579MPa，剪切强度为133MPa，分别比单相Ti3Si0.9Al0.1C2提高了约5.4％，48.6％，38.5％和14.7％。另外，实验证明在以AISI-52100轴承钢球为对磨副，往复式摩擦条件下Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3复合材料具有更好的耐磨性，并且其耐磨性随Al2O3体积含量的增加而增强。
附图说明
图1为单相Ti3Si0.9Al0.1C2和Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3复合材料的X射线衍射谱。(a)为单相Ti3Si0.9Al0.1C2，(b)为Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3，(c)为Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3。
图2(a)-(b)为Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷复合材料的断口(背散射相)。(a)为Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3，(b)为Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3。
图3为Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷复合材料以AISI-52100轴承钢球为对磨副，往复式摩擦条件下的磨损率和加载值的关系。
图4为Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3陶瓷复合材料的在10N加载下的磨损表面。
具体实施方式
下面通过实例详述本发明。
实施例1(Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3)(TSAC/10A)
将粒度范围为200～600目的钛粉131.3克、硅粉27.8克、铝粉2.5克、石墨21.9克和氧化铝粉18.0克为原料，以无水酒精为介质，在玛瑙罐中球磨16小时，干燥(含水量小于0.05wt.％)并过200目筛后装入石墨模具中冷压成型(10MPa)，在通有氩气的热压炉内烧结，升温速率为10℃/分钟，在1550℃烧结，保温时间为60分钟，施加压力为30MPa。整个烧结过程都是在氩气保护下进行。阿基米德法测得的密度为4.41g/cm3，为理论密度的98.5％。Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3复合材料的维氏硬度为5.2GPa；弹性模量为334GPa；弯曲强度为579MPa；剪切强度为133MPa。
实施例2(Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3)(TSAC/20A)
将粒度范围为200～600目的钛粉157.7克、硅粉33.4克、铝粉3.0克、石墨26.3克和氧化铝粉48.5克为原料，以无水酒精为介质，在玛瑙罐中球磨24小时，干燥(含水量为小于0.05wt.％)并过200目筛后装入石墨模具中冷压成型(20MPa)，在通有氩气的热压炉内烧结，升温速率为15℃/分钟，在1600℃烧结，保温时间为30分钟，施加压力为40MPa。整个烧结过程都是在氩气保护下进行。阿基米德法测得的密度为4.32g/cm3，为理论密度的97.7％。Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3复合材料的维氏硬度为6.0GPa；弹性模量为340GPa；弯曲强度为453MPa；剪切强度为230MPa。
比较例
采用本法所制备的两种不同Al2O3体积百分含量的Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷复合材料与同种工艺所制备的单相Ti3Si0.9Al0.1C2(TSAC)相比。Ti3Si0.9Al0.1C2的维氏硬度为3.5GPa；弹性模量为317GPa；弯曲强度418MPa；剪切强度为116MPa。相应的力学性能指标低于Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷复合材料。
下面具体介绍Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷复合材料的显微结构，耐磨性和提高耐磨性的机理。
图1为单相Ti3Si0.9Al0.1C2和Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3复合材料的X射线衍射谱。(a)为单相Ti3Si0.9Al0.1C2，(b)为Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3，(c)为Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3。在单相Ti3Si0.9Al0.1C中没有杂质相的存在，在Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3复合材料中仅包含少量的TiC相。图2为Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷复合材料的断口形貌(背散射相)。图(a)为Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3复合材料的断口，图(b)为Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3复合材料的断口，黑色相为Al2O3颗粒，灰色相为Ti3Si0.9Al0.1C2晶粒。从图(a)可观察到Al2O3颗粒弥散分布在Ti3Si0.9Al0.1C2的晶粒内部和晶界，在图(b)中除Al2O3颗粒的弥散分布外，有少量Al2O3颗粒在Ti3Si0.9Al0.1C2晶界处产生团聚。图3为Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷复合材料以AISI-52100轴承钢球为对磨副，往复式摩擦条件下的磨损率和加载值的关系。随基体中增强相Al2O3体积百分含量的增大，复合材料的磨损率逐渐下降，另外随加载值增大复合材料的磨损率也呈现下降趋势。这说明Al2O3的添加可以有效地提高Ti3Si0.9Al0.1C2基体的耐磨性。图4为Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3陶瓷复合材料的在10N加载下的磨损表面。可观察到Al2O3颗粒分布在Ti3Si0.9Al0.1C2基体中，在滑动的钢球下承载加载力，并钉扎周围的Ti3Si0.9Al0.1C2晶粒形成突出的平台，从而减少材料的摩擦损失。这就是Al2O3添加提高Ti3Si0.9Al0.1C2基体耐磨性的机理。
由实施例1、实施例2和比较例可见，本方法制备的Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷复合材料具有高硬度、高弹性模量、高弯曲强度、高剪切强度、耐磨性能好等综合机械性能优越的特点。
Claims (5)
1、一种氧化铝增强钛硅铝碳基陶瓷复合材料，其特征在于：由氧化铝增强相和原位生成的Ti3Si1-xAlxC2基体组成，Al2O3作为增强相存在于Ti3Si1-xAlxC2基体中，Al2O3的体积百分含量为5～30％；Ti3Si1-xAlxC2基体中，Si与Al摩尔比为(1-x)∶x，其中0＜x≤0.1。
2、按照权利要求1所述氧化铝增强钛硅铝碳基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：以钛粉、硅粉、铝粉、石墨粉和氧化铝粉为原料，钛粉、硅粉、铝粉、石墨粉之间的原子比例为3∶(1-x)∶x∶2，其中0＜x≤0.1；球磨16～24小时，干燥并过筛后装入石墨模具中冷压成型，压力为10～20MPa，在真空或通有氩气的热压炉内烧结，升温速率为10～15℃/分钟，在1500～1600℃烧结，保温时间为30～120分钟，施加压力为20～40MPa。
3、按照权利要求2所述氧化铝增强钛硅铝碳基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：Ti3Si1-xAlxC2被原位生成，增强相Al2O3的体积含量可以在原始配比中调节。
4、按照权利要求2所述氧化铝增强钛硅铝碳基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：所述加入的钛粉、硅粉、铝粉、石墨粉和氧化铝粉粒度范围为200～600目。
5、按照权利要求2所述氧化铝增强钛硅铝碳基陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：采用酒精为介质在玛瑙罐中球磨。
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