CN101037334A

CN101037334A - 一种致密Ti2AlC－TiB2复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101037334A
Application number: CN 200710051989
Authority: CN
Inventors: 周卫兵; 梅炳初; 朱教群
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: CN100418923C

Abstract

本发明公开了一种致密Ti₂AlC－TiB₂复合材料及其制备方法。所述材料的组成包括Ti粉、Al粉、TiC粉和B₄C粉，四种原料的摩尔比为Ti∶Al∶B∶C＝(2.35～9.45)∶(0.95～4.45)∶1∶(0.95～5.45)。所述材料的制备方法是：按配比称料；将称取的原料粉末混合均匀；将混合均匀的原料粉末置于石墨模具中，在放电等离子烧结系统中的真空环境下进行烧结，再自然冷却即可。本发明提供的复合材料结构致密，无界面污染。整个制备过程选用的原材料简单，充分利用了原位反应优点和放电等离子烧结工艺的特点，能快速合成性能优异的Ti₂AlC－TiB₂复合材料。

Description

一种致密Ti2AlC-TiB2复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及新型结构材料，特别是涉及一种利用原位技术结合放电等离子合成方法来制备致密Ti₂AlC-TiB₂复合材料。

背景技术

近年来，国内外对陶瓷-金属复合材料的研究虽然十分活跃，但普通陶瓷(如SiC，TiC，Al₂O₃等)引入金属中，往往由于两者结构、物理性能及化学键特性相差较大，很难形成理想的相界面，而且容易造成脆性破坏。

Ti₂AlC是上世纪六十年代才被发现的新型层状三元化合物。它兼有金属和陶瓷的许多优点，如优异的导电、导热性，可加工性，良好的抗破坏能力，高熔点，高模量(杨氏模量304GPa，剪切模量124GPa)，高强度和低密度(4.11g/cm³)等。这是一种能广泛应用于电子信息、新能源、航空航天等高技术领域的新型结构/功能材料。

Ti₂AlC的硬度较低(3～5GPa)，耐硝酸性能较差，极大地限制了其作为结构材料和功能材料使用范围。目前研究的重点是关于高纯、单相、块状致密的Ti₂AlC陶瓷的制备[文献(1～5)]，而有关提高此类材料硬度、耐磨性及耐腐蚀性的报道几乎未见公开的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为克服Ti₂AlC的硬度较低，耐酸性较差的缺陷，提供一种以原位技术结合放电等离子合成方法来制备致密Ti₂AlC-TiB₂复合材料，以更好地拓宽Ti₂AlC的实际应用领域。

本发明按下述技术方案解决其技术问题：

本发明提供的一种致密Ti₂AlC-TiB₂复合材料，其组成包括Ti粉、Al粉、TiC粉和B₄C粉，四种原料的摩尔比为Ti∶Al∶B∶C＝(2.35～9.45)∶(0.95～4.45)∶1∶(0.95～5.45)。

本发明提供的上述致密Ti₂AlC-TiB₂复合材料，是由原位技术结合放电等离子合成方法来制备的。制备步骤是：按配比称料；将称取的原料粉末混合均匀；将混合均匀的原料粉末置于石墨模具中，在放电等离子烧结系统中的真空环境下进行烧结，再随炉自然冷却即可。

本发明与现有技术相比，具有以下的主要优点：

现有的技术都是研究直接合成Ti₂AlC材料，未见有报道来改善Ti₂AlC材料的弱点，目前改性的研究工作大多集中在Ti₃SiC₂和Ti₃AlC₂材料上。本发明首次提出以原位反应并结合先进的放电等离子工艺引入TiB₂来改善和提高Ti₂AlC材料。之所以引入TiB₂材料是它因为一种具有高熔点(2790℃)，高硬度(34GPa)，耐腐蚀、抗氧化的特点，同时具有良好的导电和导热性能，其在高温结构材料、耐磨、耐腐蚀以及电气材料中有着广泛的应用前景，更为重要的是它的晶体结构Ti₂AlC一样，均为六方层状结构，热膨胀系数相近，因此在Ti₂AlC中引入适量的TiB₂颗粒将有助于改善Ti₂AlC材料的性能，获得兼具两者优点的复合材料。由Archimedes法测得Ti₂AlC-TiB₂块体材料的致密度达到98％以上。

本发明的创新之处在于利用先进的放电等离子烧结的工艺特点，以价格较低的B₄C来替代TiB₂为原料，同时利用原位反应合成Ti₂AlC-TiB₂复合材料，所制备的复合材料结构致密，无界面污染。整个制备过程选用的原材料简单，充分利用了原位反应优点和放电等离子烧结工艺的特点，能快速合成性能优异的Ti₂AlC-TiB₂复合材料。

附图说明：

附图1为放电等离子烧结Ti2AlC-TiB₂复合材料的X-射线衍射图谱。对照国际粉末衍射标准委员会制定的标准JCPDS标准卡片可知：Ti₂AlC的标准卡片号是290095，以及TiB₂的标准卡片号是751045号可以判断，合成产物中只有Ti₂AlC和TiB₂两种物质生成，没有其他物质形成。

具体实施方式

本发明提供了一种以先进的放电等离子烧结工艺，通过原位反应合成致密制备Ti₂AlC-TiB₂复合块体材料的方法，其特征在于：以Ti、TiC、B₄C、Al为原料，四种原料的摩尔比为n(Ti)∶n(TiC)∶n(Al)∶n(B₄C)＝(6～10.4)∶(1.2～9.5)∶(1.5～9.8)∶1，或者四种原子摩尔比为Ti∶Al∶B∶C＝(2.35～9.45)∶(0.95～4.45)∶1∶(0.95～5.45)；混合均匀，装入石墨模具后，置于放电等离子烧结系统真空环境中，以100～300℃/min的升温速率升至1200～1400℃，在20～60MPa的轴向压力下保温5～20分钟。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

实施例1

原料粉末按摩尔比为Ti∶Al∶B∶C＝4.75∶2.15∶1∶2.15；混合均匀，放入石墨模具中，在热压烧结系统，氩气保护中进行烧结。升温速度为100℃/min，烧结温度为1250℃，压力为30MPa，保温5分钟。块体材料的致密度为99.5％，Ti₂AlC含量为90％。在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥800MPa，三点弯曲强度σ_b≥600MPa，K_IC≥7MPa·m^1/2，维氏显微硬度＞8GPa。

实施例2

原料粉末按摩尔比为Ti∶Al∶B∶C＝3.15∶1.35∶1∶1.35；混合均匀，放入石墨模具中，在放电等离子烧结的真空系统中进行烧结。升温速度为200℃/min，烧结温度为1250℃，压力为50MPa，保温10分钟。块体材料的致密度为99.2％，Ti₂AlC含量为85％。在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥800MPa，三点弯曲强度σ_b≥600MPa，K_IC≥7MPa·m^1/2，维氏显微硬度＞8GPa。

实施例3

原料粉末按摩尔比为Ti∶Al∶B∶C＝2.45∶1.05∶1∶1.05；混合均匀，放入石墨模具中，在放电等离子烧结的真空系统中进行烧结。升温速度为200℃/min，烧结温度为1200℃，压力为50MPa，保温13分钟。块体材料的致密度为99.2％，Ti₂AlC含量为80％。在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥800MPa，三点弯曲强度σ_b≥600MPa，K_IC≥7MPa·m^1/2，维氏显微硬度＞8GPa。

实施例4

原料粉末按摩尔比为Ti∶Al∶B∶C＝2.35∶0.95∶1∶0.95；混合均匀，放入石墨模具中，在放电等离子烧结的真空系统中进行烧结。升温速度为100℃/min，烧结温度为1300℃，压力为60MPa，保温20分钟。块体材料的致密度为99.2％，Ti₂AlC含量为80％。在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥800MPa，三点弯曲强度σ_b≥600MPa，K_IC≥7MPa·m^1/2，维氏显微硬度＞8GPa。

实施例5

原料粉末按摩尔比为Ti∶Al∶B∶C＝9.45∶4.45∶1∶5.45；混合均匀，放入石墨模具中，在放电等离子烧结的真空系统中进行烧结。升温速度为300℃/min，烧结温度为1400℃，压力为20MPa，保温5分钟。块体材料的致密度为99.2％，Ti₂AlC含量为80％。在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥800MPa，三点弯曲强度σ_b≥600MPa，K_IC≥7MPa·m^1/2，维氏显微硬度＞8GPa。

实施例6

原料粉末按摩尔比为Ti∶Al∶B∶C＝5.9∶2.7∶1∶2.7；混合均匀，放入石墨模具中，在放电等离子烧结的真空系统中进行烧结。升温速度为300℃/min，烧结温度为1300℃，压力为40MPa，保温5分钟。块体材料的致密度为99.2％，Ti₂AlC含量为80％。在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥800MPa，三点弯曲强度σ_b≥600MPa，K_IC≥7MPa·m^1/2，维氏显微硬度＞8GPa。

参考文献

1.Barsoum M W.The M_n+1AX_nPhases：A New Class of Solids；ThermodynamicallyStable Nanolaminates[J].Pro Solid Sta Chem，2000，28：201～206.

2.Jeitschko W，Nowotny H，Benesosky F.Kohlenstoffhaltige ternareVerbindungen(H-Phase)[J].Monatash Chem.1963，94：672～677.

3.Schuster J C，Nowotny H，Vaccaro C.The Ternary Systems：Cr-Al-C，V-Al-C andthe Behavior of H-Phases(M₂AlC)[J].J.Solid State Chemistry，1980，32：213～219.

4.Barsoum M W，Brodkin D，El-Raghy T.Layer Machinable Ceramics for HighTemperature Applications[J].Scripta Materialia，1997，36(5)：535～541.

5.Barsoum M W，Ali M，El-Raghy T.Processing and Characterization of Ti₂AlC，Ti₂AlN and Ti₂AlC_0.5[J]..Met.Mat Trans A，2000，31(7)：1857～1862.

Claims

1.一种致密Ti₂AlC-TiB₂复合材料，其特征是一种利用原位技术结合放电等离子合成方法来制备致密Ti₂AlC-TiB₂复合材料，其组成包括Ti粉、Al粉、TiC粉和B₄C粉，四种原料的摩尔比为Ti∶Al∶B∶C＝(2.35～9.45)∶(0.95～4.45)∶1∶(0.95～5.45)。

2.一种致密Ti₂AlC-TiB₂复合材料的制备方法，其特征是采用以下步骤的方法：

(1)称料：称取Ti粉、Al粉、TiC粉和B₄C粉，四种原料的摩尔比为Ti∶Al∶B∶C＝(2.35～9.45)∶(0.95～4.45)∶1∶(0.95～5.45)；

(2)将称取的原料粉末混合均匀；

(3)烧结：将混合均匀的原料粉末置于石墨模具中，在放电等离子烧结系统中的真空环境下进行烧结，再随炉自然冷却即可。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于烧结工艺条件为：以100～300℃/min的升温速率升至1200～1400℃，保温5～20分钟，施加的Z轴压力为20～60MPa。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：将混合均匀的原料粉末按一定配比置于石墨模具中，原料粉末的摩尔配比为：n(Ti)∶n(TiC)∶n(Al)∶n(B₄C)＝(6～10.4)∶(1.2～9.5)∶(1.5～9.8)∶1。