CN101747057B

CN101747057B - 一种Nb4AlC3陶瓷粉体的制备方法

Info

Publication number: CN101747057B
Application number: CN 200910073098
Authority: CN
Inventors: 赫晓东; 柏跃磊; 朱春城
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: CN101747057A

Abstract

一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，它涉及一种三元层状化合物单相陶瓷粉体的制备方法。本发明提供了一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，以解决现有传统陶瓷粉体的制备方法能耗大、工艺复杂、成本高、生产时间长、生产效率低的问题。本发明的方法是：一、称取铌粉、铝粉和碳粉，然后球磨得混合粉末；二、将混合粉末装入石墨舟，然后放入反应器中，并充入惰性气体，点火发生自蔓延反应，冷却后经粉碎、过筛、干燥得到Nb₄AlC₃陶瓷粉体。本发明的方法反应速度快、合成时间短、能耗低、成本低、生产效率高，得到的Nb₄AlC₃陶瓷粉体纯度高。本发明得到的Nb₄AlC₃陶瓷粉体可用于航空、航天、电子工业和核工业等行业。

Description

一种Nb4AlC3陶瓷粉体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种三元层状化合物单相陶瓷粉体的制备方法。

背景技术

M_n+1AX_n(M为过渡族金属，A为主族元素，X为C或N，n＝1-3)具有层状的六方结构。自M.W.Barsoum等(美国陶瓷协会，J.Am.Ceram.Soc.79(1996)1953)通过反应热压技术首次合成块体Ti₃SiC₂以来，M_n+1AX_n以其独特的特性吸引着世界上越来越多的科研工作者。具体来说，它既具有陶瓷的诸多优点，比如高模量，高强度等。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，有较高的损伤容限和良好的抗热震性能。很有希望用于航空、航天、电子工业和核工业等场合的新型结构/功能一体化材料。

Nb₄AlC₃是一种最近新发现的三元层状化合物M_n+1AX_n陶瓷，其优良的高温性能日益受到人们的重视。虽然Nb₄AlC₃具有许多优良的综合性能及广阔的潜在应用前景，但是Nb₄AlC₃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Nb₄AlC₃块体主要是通过热压工艺制备而成。周延春等(美国陶瓷学会期刊，J.Am.Ceram.Soc.91(2008)2258)使用热压工艺以Nb、Al和C粉末为原料，在1700℃、30MPa热压1小时成功制备出Nb₄AlC₃单相块体陶瓷，此制备工艺的缺点在于制备温度高(1700℃)、反应时间长(1小时)，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，为防止氧化需要真空环境或氩气保护；同时经过长时间的加热，材料的组织粗化，导致其力学性能较差。传统的陶瓷粉体是由固态反应合成后经后续粉碎研磨而成，成本较高，工艺流程复杂，极大的限制了陶瓷粉体材料的推广和应用，很难形成工业化和产业化。目前，还未见Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，以解决现有传统陶瓷粉体的制备方法反应时间长、能耗大、工艺复杂、成本高昂、生产时间长、生产效率低的问题。

本发明一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法是通过以下步骤实现的：a、分别称取铌粉、铝粉和碳粉，然后将其放入树脂球磨罐中球磨5～30小时，或者加入无水乙醇球磨湿混5～30小时后自然晾干获得混合粉末，其中，铌粉和铝粉的摩尔比为4∶0.7～1.3，铌粉和碳粉的摩尔比为4∶2.6～3.2；b、将混合粉末装入石墨舟中，再将石墨舟放入密闭压力容器，然后通入惰性气体，保持密闭压力容器中的压力为0.01～2MPa，点火使混合粉末发生自蔓延反应得到疏松状Nb₄AlC₃陶瓷，冷却后将其粉碎、过筛、干燥得到Nb₄AlC₃陶瓷粉体。

本发明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。

本发明Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法利用燃烧合成工艺，以低成本的铌粉、铝粉和碳粉为原料制备出低成本、高纯度的单相Nb₄AlC₃陶瓷粉体；而且制备工艺成本低，无需长时间高温加热，可以节约大量能源，能耗降低；反应速率快，合成时间短，生产效率高，燃烧合成反应仅在几分钟内即可完成，较短的保温时间抑制了晶粒的长大，使其合成的Nb₄AlC₃具有细小的晶粒；工艺设备简单，占地面积小，维护保养方便。

本发明的制备方法得到的Nb₄AlC₃陶瓷粉体，由单相Nb₄AlC₃组成，纯度高，Nb₄AlC₃陶瓷粉体属六方晶系，空间群为P6₃/mmc，晶体结构中Al与Nb-C链以弱共价键结合，导致Nb₄AlC₃易延(0001)基面产生剪切变形，从而使Nb₄AlC₃晶粒易于产生扭折和层裂，微观上表现出显微塑性。

本发明的制备方法与传统的高温固态反应法相比，本发明的优势在于利用了原料的化学能，在反应过程中只需要很小的能量点火即可，燃烧过程所需的能量来自原料燃烧所释放的化学能，极大地降低了能耗，提高了生产效率；而且燃烧合成的温度很高，可达2000～3000℃，高温有利于杂质的挥发，因而Nb₄AlC₃陶瓷粉体的纯度很高。

综上所述，本发明采用燃烧合成技术制备Nb₄AlC₃陶瓷粉体的方法，具有反应时间短，反应速率快，耗能少，生产效率高，成本低，工艺简单等突出优点，而且得到的Nb₄AlC₃陶瓷粉体组织细小，应用前景广阔，可用于航空、航天、电子工业和核工业等行业，具有明显的社会和经济效益。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法是通过以下步骤实现的：a、分别称取铌粉、铝粉和碳粉，然后将其放入树脂球磨罐中球磨5～30小时，或者加入无水乙醇球磨湿混5～30小时后自然晾干得混合粉末，其中，铌粉和铝粉的摩尔比为4∶0.7～1.3，铌粉和碳粉的摩尔比为4∶2.6～3.2；b、将混合粉末装入石墨舟中，再将石墨舟放入密闭压力容器，然后通入惰性气体，保持密闭压力容器中的压力为0.01～2MPa，点火使混合粉末发生自蔓延反应得到疏松状Nb₄AlC₃陶瓷，冷却后将其粉碎、过筛、干燥得到Nb₄AlC₃陶瓷粉体。

本实施方式中铌粉、铝粉和碳粉均为市售产品，质量纯度在98％以上。

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。

本实施方式反应时间短，反应速率快，耗能少，生产效率高，成本低，工艺简单，得到的Nb₄AlC₃陶瓷粉体，由单相Nb₄AlC₃组成，纯度高，Nb₄AlC₃陶瓷粉体属六方晶系，空间群为P6₃/mmc，晶体结构中Al与Nb-C链以弱共价键结合，导致Nb₄AlC₃易延(0001)基面产生剪切变形，从而使Nb₄AlC₃晶粒易于产生扭折和层裂，微观上表现出显微塑性。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤a中铌粉和铝粉的摩尔比为4∶0.9～1.2。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不同的是步骤a中铌粉和铝粉的摩尔比为4∶1.1。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、二或三不同的是步骤a中铌粉和碳粉的摩尔比为4∶2.7～3.1。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二或三不同的是步骤a中铌粉和碳粉的摩尔比为4∶2.8。其它步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五不同的是步骤a中碳粉为石墨或者炭黑。其它步骤及参数与具体实施方式一至五相同。

本实施方式的石墨和炭黑均为市售产品。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六不同的是步骤b中惰性气体为氩气或者氦气。其它步骤及参数与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是步骤b中保持密闭压力容器中压力为0.1～1.0MPa。其它步骤及参数与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七不同的是步骤b中保持密闭压力容器中压力为0.3MPa。其它步骤及参数与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至八不同的是步骤b中点火采用Ni-Cr丝，点火剂为摩尔比为1∶1的钛粉与炭黑的混合物。其它步骤及参数与具体实施方式一至八相同。

本实施方式中点火剂中的钛粉为粒度小于300目的质量纯度为99％的钛粉。钛粉与炭黑均为市售产品。

具体实施方式十一：本实施方式Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法是通过以下步骤实现的：a、分别称取铌粉、铝粉和碳粉，然后将其放入树脂球磨罐中，然后加入无水乙醇球磨湿混30小时后自然晾干得混合粉末，其中，铌粉和铝粉的摩尔比为4∶1.1，铌粉和碳粉的摩尔比为4∶2.8；b、将混合粉末装入石墨舟中，再将石墨舟放入密闭压力容器，然后通入惰性气体氩气，保持密闭压力容器中的压力为0.3MPa，点火使混合粉末发生自蔓延反应得到疏松状Nb₄AlC₃陶瓷，冷却后将其粉碎、过筛、干燥得到Nb₄AlC₃陶瓷粉体。

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3mm。

本实施方式中点火采用Ni-Cr丝，点火剂为摩尔比为1∶1的钛粉与炭黑的混合物。

本实施方式中得到的Nb₄AlC₃陶瓷粉体由单相Nb₄AlC₃组成，纯度高。

具体实施方式十二：本实施方式Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法是通过以下步骤实现的：a、分别称取铌粉、铝粉和碳粉，然后将其放入树脂球磨罐中球磨30小时得混合粉末，其中，铌粉和铝粉的摩尔比为4∶1.2，铌粉和碳粉的摩尔比为4∶2.7；b、将混合粉末装入石墨舟中，再将石墨舟放入密闭压力容器，然后通入惰性气体氩气，保持密闭压力容器中的压力为0.1MPa，点火使混合粉末发生自蔓延反应得到疏松状Nb₄AlC₃陶瓷，冷却后将其粉碎、过筛、干燥得到Nb₄AlC₃陶瓷粉体。

本实施方式中得到的Nb₄AlC₃陶瓷粉体由单相Nb₄AlC₃组成，纯度高，晶相组织小，致密性提高。

Claims

1.一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，其特征在于Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法是通过以下步骤实现的：a、将铌粉、铝粉和碳粉放入树脂球磨罐中球磨5～30小时，或者加入无水乙醇球磨湿混5～30小时后自然晾干得混合粉末，其中，铌粉和铝粉的摩尔比为4∶0.7～1.3，铌粉和碳粉的摩尔比为4∶2.6～3.2；b、将混合粉末装入石墨舟中，再将石墨舟放入密闭压力容器，然后通入惰性气体，保持密闭压力容器中的压力为0.01～2MPa，点火使混合粉末发生自蔓延反应得到疏松状Nb₄AlC₃陶瓷，冷却后将其粉碎、过筛、干燥得到Nb₄AlC₃陶瓷粉体。

2.根据权利要求1所述的一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤a中铌粉和铝粉的摩尔比为4∶0.9～1.2。

3.根据权利要求1所述的一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤a中铌粉和铝粉的摩尔比为4∶1.1。

4.根据权利要求1或2所述的一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤a中铌粉和碳粉的摩尔比为4∶2.7～3.1。

5.根据权利要求1或2所述的一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤a中铌粉和碳粉的摩尔比为4∶2.8。

6.根据权利要求4所述的一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤a中碳粉为石墨粉或者炭黑粉。

7.根据权利要求1、2或6所述的一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤b中惰性气体为氩气或者氦气。

8.根据权利要求7所述的一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤b中保持密闭压力容器中压力为0.1～1.0MPa。

9.根据权利要求1、2、6或8所述的一种Nb₄AlC₃陶瓷粉体的制备方法，其特征在于步骤b中点火采用Ni-Cr丝，点火剂为摩尔比为1∶1的钛粉与炭黑的混合物。