CN101186296B - 制备高纯度、致密的Ti3SiC2块体材料的方法 - Google Patents
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Abstract
制备高纯度、致密的Ti3SiC2块体材料的方法，它涉及Ti、Si、C陶瓷块体的制备方法。本发明解决了目前制备Ti3SiC2块体材料都存在制备温度高、反应时间、特别是现有方法难以制备大尺寸材料的问题。本发明制备高纯度、致密的Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤进行：一、混合；二、加压、点火；三、加压、冷却；即得到Ti3SiC2块体。本发明具有工艺成本低、无需长时间高温加热、可制备直径达240mm的块体材料。
Description
技术领域
本发明涉及Ti、Si、C陶瓷块体的制备方法。
背景技术
Ti3SiC2是一种新型三元层状化合物。它既具有陶瓷的诸多优点，比如高模量(杨氏模量343GPa)，高强度等，同时也具有金属的某些性能，比如低硬度，可加工，良好的导电导热性能，有较高的损伤容限。Ti3SiC2具有很低的密度理论密度4.52g/cm2和优良的抗氧化性能，因此可以作为高温结构材料使用。Ti3SiC2作为新型结构/功能一体化材料在航空、航天、电子工业和核工业等领域具有广泛应用空间。虽然Ti3SiC2具有许多优良的综合性能及广阔的应用前景，但是Ti3SiC2的制备极其困难，使得它的相关基础研究和应用受到限制。目前，三元层状化合物Ti3SiC2块体主要是通过热压、热等静压等工艺制备而成，以Ti、SiC和C为原料，在1600℃，40MPa下热等静压4小时获得了高纯的Ti3SiC2块体材料。这一类制备Ti3SiC2块体材料的工艺都存在制备温度高(1200～1600℃)、反应时间长(1～8小时)的缺陷，特别难以制备大尺寸Ti3SiC2块体材料(直径大于50mm)，生产效率低；在制备过程中需要长时间连续加热，消耗了大量的电能；工艺复杂，需要真空环境或氩气保护；生产设备结构复杂，维护保养不便。
发明内容
本发明是为了解决目前制备Ti3SiC2块体材料都存在制备温度高、反应时间长、特别是现有方法难以制备大尺寸材料的问题，而提供制备高纯度、致密的Ti3SiC2块体材料的方法。
本发明制备高纯度、致密的Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤进行：一、按照摩尔比将2.5～3.5摩尔的钛粉、1-x～1.5-x摩尔的硅粉、x摩尔的碳化硅粉和2-x摩尔的碳粉混合，其中0＜x＜1，再加入无水乙醇湿混5～30小时，自然晾干；二、向混合物料施加15～45MPa的压力10～15s，压成预制坯，将预制坯放入钢制模具中，钢制模具与预制坯之间的空隙用石英砂填充，在预制坯的上表面点火，燃烧反应开始；三、燃烧结束后1～5s开始施加150～500MPa的压力，保压10～15s，再将反应产物埋入石英砂冷却至室温：即得到Ti3SiC2块体。
本发明中以上制备Ti3SiC2块体材料的方法中的钛粉、硅粉、碳化硅粉和碳粉的纯度为98％以上；本发明以上方法可制备出直径小于、等于50mm，高度为10～20mm的Ti3SiC2块体材料。
本发明中以上制备Ti3SiC2块体材料的方法的步骤二中的点火需要在点火点放置4～8g的点火剂，点火剂为Ti和C按摩尔比为1∶1混合的混合粉末、Ti和B按摩尔比为1∶2混合的混合粉末或Ti和B4C按摩尔比为3∶1混合的混合粉末；步骤二中的钢制模具为《TiC-TiB2/Cu复合材料的自蔓延高温合成研究》中的模具。
上述方法具有以下优点：1、以低成本的Ti粉、Si粉、SiC粉和C粉为原料；2、工艺成本低，无需长时间高温加热；3、生产效率高，主要的工艺过程在5分钟内完成；4、通过燃烧合成/准等静压原位合成，反应和致密化一步完成，获得致密的Ti3SiC2块体材料；5、工艺设备简单，维护保养方便；6、制得的Ti3SiC2块体材料适合加工成长度或直径小于50mm的元件；7、产品经X-射线衍射图谱测试，图谱如附图1所示，说明本发明制得的Ti3SiC2纯度高。
本发明另一种制备Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤进行：一、按照摩尔比将2.5～3.5摩尔的钛粉、1-x～1.5-x摩尔的硅粉、x摩尔的碳化硅粉和2-x摩尔的碳粉混合，其中0＜x＜1，再加入无水乙醇湿混5～30小时，自然晾干；二、将混合物料放入钢制模具中，施加15～45MPa的压力10～15s，此时物料形成一个圆柱形的坯体，在坯体上放置一个石英砂饼，在石英砂饼上放置厚度为30mm的钢制垫块，电阻丝引线从垫块边缘引出并与点火装置连接上；三、打开点火装置点火并使电阻丝通电发热，燃烧停止的时候立即对坯体施加2000kN～5000kN的轴向压力5～60秒，取出产品，30秒内埋入石英砂冷却，冷却20～30小时；即得到Ti3SiC2块体材料；步骤二的钢制模具为中国专利号为ZL03132642.0的专利《燃烧合成反应器》中的钢制模具。
本发明另一种制备Ti3SiC2块体材料的方法的钛粉、硅粉、碳化硅粉和碳粉的纯度为98％以上；本发明此种制备方法制备出的Ti3SiC2块体材料的直径可达150～240mm(直径大于50mm)、高度为10～20mm的Ti3SiC2块体材料。
本发明中制备Ti3SiC2块体材料的方法步骤一中加入无水乙醇作为分散剂使物料混合均匀，使无水乙醇的液面没过物料；步骤三中的点火在圆柱体上表面进行点火，可以是在上表面的中心点火，或是在上表面的选取三个互呈120°角的半径中点同时点火，需要在点火点放置4～8g的点火剂，点火剂为Ti和C按摩尔比为1∶1混合的混合粉末、Ti和B按摩尔比为1∶2混合的混合粉末或Ti和B4C按摩尔比为3∶1混合的混合粉末；步骤二的点火装置由一个能瞬间提供高达100A的电流的电源和铜导线组成，铜导线连接电阻丝；步骤二中的电阻丝的直径为0.1～0.5mm、长为15mm～25mm。
本发明的特点：1、以低成本的Ti粉、Si粉、SiC粉和C粉为原料；2、工艺成本低，无需长时间高温加热；3、生产效率高，主要的工艺过程在5分钟内完成；4、通过燃烧合成/准等静压原位合成，反应和致密化一步完成，获得致密的Ti3SiC2块体材料；5、工艺设备简单，维护保养方便；6、可以获得直径最高达240mm的块体材料。
附图说明
图1为具体实施方式十四制得的Ti3SiC2块体的X-射线衍射谱图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式制备Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤进行：一、按照摩尔比将2.5～3.5摩尔的钛粉、1-x～1.5-x摩尔的硅粉、x摩尔的碳化硅粉和2-x摩尔的碳粉混合，其中0＜x＜1，再加入无水乙醇湿混5～30小时，自然晾干；二、向混合物料施加15～45MPa的压力10～15s，压成预制坯，将预制坯放入钢制模具中，钢制模具与预制坯之间的空隙用石英砂填充，在预制坯的上表面点火，燃烧反应开始；三、燃烧结束后1～5s开始施加150～500MPa的压力，保压10～15s，再将反应产物埋入石英砂冷却至室温：即得到Ti3SiC2块体。
本实施方式步骤一中加入无水乙醇作为分散剂使物料混合均匀，使无水乙醇的液面没过物料1～5mm。
本实施方式步骤一中钛粉、硅粉、碳化硅粉和碳粉的纯度为98％以上。
本实施方式制得的Ti3SiC2块体材料直径为30～50mm，高度为10～20mm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中0.2＜x＜0.5。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中x＝0.25。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中加入无水乙醇湿混10～25小时。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中加入无水乙醇湿混15～20小时。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中加入无水乙醇湿混18小时。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中向混合物料施加20～40MPa的压力11～14s。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中向混合物料施加25～35MPa的压力12～13s。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中向混合物料施加30MPa的压力12s。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中施加200～450MPa的压力，保压11～14s。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中施加280～400MPa的压力，保压12～13s。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤三中施加330MPa的压力，保压13s。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中的点火需要在点火点放置4～8g的点火剂，点火剂为Ti和C按摩尔比为1∶1混合的混合粉末、Ti和B按摩尔比为1∶2混合的混合粉末或Ti和B4C按摩尔比为3∶1混合的混合粉末。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中的钢制模具为《TiC-TiB2/Cu复合材料的自蔓延高温合成研究》中的模具。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式十五：本实施方式制备Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤进行：一、按照摩尔比将3摩尔的钛粉、0.5摩尔的硅粉、0.6摩尔的碳化硅粉和1.4摩尔的碳粉混合，再加入无水乙醇湿混5～30小时，自然晾干；二、向混合物料施加27MPa的压力15s，压成预制坯，将预制坯放入钢制模具中，钢制模具与预制坯之间的空隙用石英砂填充，在预制坯的上表面点火，燃烧反应开始；三、燃烧结束后1～5s开始施加420MPa的压力，保压12s，再将反应产物埋入石英砂冷却至室温：即得到Ti3SiC2块体；步骤二中的钢制模具为《TiC-TiB2/Cu复合材料的自蔓延高温合成研究》中的模具。
本实施方式步骤一中按常规的量加入无水乙醇作为分散剂使物料混合均匀，使无水乙醇的液面没过物料2mm。
本实施方式步骤一中钛粉、硅粉、碳化硅粉和碳粉的纯度为98％以上。
本实施方式步骤二中的点火需要在点火点放置5g的点火剂，点火剂为Ti和C按摩尔比为1∶1混合的混合粉末。
本实施方式制得的Ti3SiC2块体材料直径为50mm、高度为15mm。
本实施方式制得的Ti3SiC2块体材料经过X-射线衍射检验其结构和纯度，测试的谱图如图1所示，图1说明本实施方式制得的Ti3SiC2块体材料纯度高，图中“●”峰代表Ti3SiC2峰，“■”峰代表杂质峰，制得的Ti3SiC2块体材料纯度为98.7％。
具体实施方式十六：本实施方式制备Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤进行：一、按照摩尔比将2.5～3.5摩尔的钛粉、1-x～1.5-x摩尔的硅粉、x摩尔的碳化硅粉和2-x摩尔的碳粉混合，其中0＜x＜1，再加入无水乙醇湿混5～30小时，自然晾干；二、将混合物料放入钢制模具中，施加15～45MPa的压力10～15s，此时物料形成一个圆柱形的坯体，在坯体的上放置一个石英砂饼，在石英砂饼的上放置厚度为30mm的钢制垫块，电阻丝引线从垫块边缘引出并与点火装置连接上；三、打开点火装置点火并使电阻丝通电发热，燃烧停止的时候立即对坯体施加2000kN～5000kN的轴向压力5～60秒，取出产品，30秒内埋入石英砂冷却，冷却20～30小时；即得到Ti3SiC2块体材料；步骤二的钢制模具为中国专利号为ZL03132642.0的专利《燃烧合成反应器》中的钢制模具。
本实施方式步骤一中加入无水乙醇作为分散剂使物料混合均匀，使无水乙醇的液面没过物料1～5mm。
本实施方式步骤一中的钛粉、硅粉、碳化硅粉和碳粉的纯度为98％以上。
本实施方式制得的Ti3SiC2块体材料直径为150～240mm、高度为10～20mm。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤一中0.2＜x＜0.5。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤一中x＝0.25。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤一中加入无水乙醇湿混10～25小时。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤一中加入无水乙醇湿混15～20小时。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式二十一：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤一中加入无水乙醇湿混18小时。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式二十二：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤二中施加20～40MPa的压力11～14s。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式二十三：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤二中施加25～35MPa的压力12～13s。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式二十四：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤二中施加30MPa的压力12s。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式二十五：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤三中对坯体施加3000kN～4000kN的轴向压力20～40秒。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式二十六：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤三中对坯体施加3500kN的轴向压力30秒。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式二十七：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤三中冷却22～28小时。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式二十八：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤三中冷却25小时。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式二十九：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤三中的点火在圆柱体上表面进行点火，是在上表面的中心点火，或是在上表面的选取三个互呈120°角的半径中点同时点火，需要在点火点放置4～8g的点火剂，点火剂为Ti和C按摩尔比为1∶1混合的混合粉末、Ti和B按摩尔比为1∶2混合的混合粉末或Ti和B4C按摩尔比为3∶1混合的混合粉末。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式三十：本实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤二的点火装置由一个能瞬间提供高达100A的电流的电源和铜导线组成，铜导线连接电阻丝。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
具体实施方式三十一：实施方式与具体实施方式十六的不同点是：步骤二中的电阻丝的直径为0.1～0.5mm、长为15mm～25mm。其它步骤及参数与具体实施方式十六相同。
Claims (4)
1.制备高纯度、致密的Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于制备高纯度、致密的Ti3SiC2块体材料的方法按如下步骤进行：一、按照摩尔比将2.5～3.5摩尔的钛粉、1-x～1.5-x摩尔的硅粉、x摩尔的碳化硅粉和2-x摩尔的碳粉混合，其中0.2＜x＜0.5，再加入无水乙醇湿混5～30小时，自然晾干；二、向混合物料施加15～45MPa的压力10～15s，压成预制坯，将预制坯放入钢制模具中，钢制模具与预制坯之间的空隙用石英砂填充，在预制坯的上表面点火，燃烧反应开始；三、燃烧结束后1～5s开始施加150～500MPa的压力，保压10～15s，再将反应产物埋入石英砂冷却至室温：即得到Ti3SiC2块体。
2.根据权利要求1所述的制备高纯度、致密的Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于步骤二中向混合物料施加25～35MPa的压力12～13s。
3.根据权利要求1所述的制备高纯度、致密的Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于步骤三中施加330MPa的压力，保压13s。
4.根据权利要求1所述的制备高纯度、致密的Ti3SiC2块体材料的方法，其特征在于步骤二中的点火需要在点火点放置4～8g的点火剂，点火剂为Ti和C按摩尔比为1∶1混合的混合粉末、Ti和B按摩尔比为1∶2混合的混合粉末或Ti和B4C按摩尔比为3∶1混合的混合粉末。
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