CN102992767A - 一种高纯Ti3AlC2块体材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法，以钛、铝、碳三种单质粉末为原料，先将钛和铝粉通过高能球磨和退火处理制备高纯Ti₃Al金属间化合物粉末，随后与碳粉均匀混合后通过反应烧结的方式制备高纯的Ti₃AlC₂块体材料，通过这种方法可以获得Ti₃AlC₂相的纯度可高达97.56%的Ti₃AlC₂块体材料，较低的杂质相含量可以使材料保持高的力学、电学和摩擦学特性，可用作电刷材料、高速铁路用的受电弓滑板和轴瓦材料等。

Description

一种高纯Ti3AlC2块体材料的制备方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法。

背景技术

航空、航天、原子能和先进能源等科学技术领域的发展，对材料提出了越来越苛刻的强度和高温特性要求，而现有的传统的材料，如陶瓷材料、金属材料及高分子材料等均不能很好地满足要求。虽然传统的陶瓷材料具有高强度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优点，但其缺点也十分显著，如脆性大、韧性低、重复使用的可靠性较低、难以加工等。近年来，研究者越来越关注具有三元层状结构的M_n+1AX_n系化合物，这些化合物因兼具金属和陶瓷的双重特性，被认为是理想的高温结构材料。作为M_n+1AX_n系中的典型代表，Ti₃AlC₂材料在常温下具有良好的导电导热性能、较低的硬度、较高的弹性模量和剪切模量、具有良好的可加工性；而在高温下具有塑性和像陶瓷一样的高熔点、高热稳定、抗氧化性能和优于石墨和MoS₂的自润滑性能。由此可见，Ti₃AlC₂作为新型的结构与功能一体化材料将在未来拥有比较广泛的应用前景，如可作为轴承材料、高温结构材料、电接触材料以及取代可加工陶瓷等。

针对高纯度Ti₃AlC₂块体材料的制备这一关键问题，国内外众多学者展开了大量的研究工作。迄今为止，主流的制备思路是以单质的钛、铝和碳的粉末为原料，通过反应烧结、热压烧结（HP）、热等静压烧结（HIP）、放电等离子烧结（SPS）、自蔓延高温合成（SHS）或机械合金化等方法制备出块体或粉体的Ti₃AlC₂材料，然而，上述方法制备出的Ti₃AlC₂的纯度不高。

发明内容

本发明的目的是提供了一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法，以解决现有方法制备Ti₃AlC₂块体材料纯度不高的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法，以钛、铝、碳三种单质粉末为原料，先将钛和铝粉通过高能球磨和退火处理制备高纯Ti₃Al金属间化合物粉末，随后与碳粉均匀混合后通过反应烧结的方式制备高纯的Ti₃AlC₂块体材料。

本发明的特点还在于，制备方法具体按照以下步骤实施：

步骤1，机械合金化钛、铝混合粉末

根据Ti₃Al的化学计量比确定钛、铝的摩尔比，并根据公式（1）计算出二者的质量比，再按需要制备的Ti₃AlC₂材料的总质量，计算出所需的钛粉和铝粉的质量；

$\frac{m_1}{m_2}=\frac{{\mathrm{mol}}_1}{{\mathrm{mol}}_2}\×\frac{M_1}{M_2}---\left(1\right)$

式中，为质量比，

为摩尔比，

为相对原子量之比；

按照球料质量比为10:1的比例，将称取好的钛粉、铝粉和钨球同时放入行星式球磨机的球磨罐中，进行机械合金化处理后得到混合均匀的Ti₃Al粉末；

步骤2，退火处理

将步骤1得到的混合均匀的Ti₃Al粉末装入石英坩埚中，放入真空热处理炉中，对Ti₃Al粉末进行退火处理；

步骤3，制备Ti₃Al和碳粉混合粉末

根据Ti₃AlC₂的化学计量比确定Ti₃Al、碳的摩尔比，根据公式（1）计算出二者的质量比，再按需要制备的Ti₃AlC₂材料的总质量，计算出所需碳粉的质量；

按照球料质量比为3:1的比例，称取好碳粉、不锈钢球，并将其与步骤2中经退火处理的Ti₃Al粉末一同放入行星式球磨机的球磨罐中，进行混粉后得到混合均匀的Ti₃Al和碳粉粉末；

步骤4，压制成型

将步骤3中制得的混合均匀的Ti₃Al和碳粉粉末装入钢模中，经过压制后制得Ti₃Al和碳的粉末压坯；

步骤5，反应烧结

将步骤4所制得的Ti₃Al和碳的粉末压坯放入气氛保护烧结炉中进行烧结，最后随炉冷却至室温，即制得高纯的Ti₃AlC₂块体材料。

本发明的特点还在于，

其中步骤1中行星式球磨机转速为300r/min，球磨时间为20h。

其中步骤2中真空热处理炉选用温度为900℃，保温时间为1h。

其中步骤3中行星式球磨机转速为120r/min，混粉时间为8h。

其中步骤4中钢模选用的压强为150MPa，保压时间为1min。

其中步骤5中的烧结炉的保护气氛为氩气，烧结温度为1200℃，以10℃/min的速度升至设定的烧结温度，并在烧结温度下保温1小时。

本发明的有益效果是，通过本发明一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法，获得了Ti₃AlC₂相的纯度可高达97.56%的Ti₃AlC₂块体材料，较低的杂质相含量可以使材料保持高的力学、电学和摩擦学特性，可用作电刷材料、高速铁路用的受电弓滑板和轴瓦材料等。

附图说明

图1是本发明一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法的流程图；

图2是本发明一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法的实施例中机械合金化后的粉末经退火处理所制得的Ti₃Al金属间化合物粉末的X射线衍射图谱；

图3是本发明一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法的实施例中所制备的Ti₃AlC₂块体材料的X射线衍射图谱；

图4是本发明一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法的实施例中所制备的Ti₃AlC₂块体材料放大4000倍的微观结构图；

图5是本发明一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法的实施例中所制备的Ti₃AlC₂块体材料的能谱分析结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法，以钛、铝、碳三种单质粉末为原料，先将钛和铝粉通过高能球磨和退火处理制备高纯Ti₃Al金属间化合物粉末，随后与碳粉均匀混合后通过反应烧结的方式制备高纯的Ti₃AlC₂块体材料，如图1所示，按照以下步骤实施：

步骤1，机械合金化钛、铝混合粉末

根据拟制备的Ti₃Al的化学计量比确定钛、铝的摩尔比，并根据公式（1）计算出二者的质量比，再按需要制备的Ti₃AlC₂材料的总质量，计算出所需的钛粉和铝粉的质量；

$\frac{m_1}{m_2}=\frac{{\mathrm{mol}}_1}{{\mathrm{mol}}_2}\×\frac{M_1}{M_2}---\left(1\right)$

式中，

为质量比，

为摩尔比，

为相对原子量之比；

按照球料质量比为10:1的比例，将称取好的钛粉、铝粉和钨球同时放入行星式球磨机的球磨罐中，球磨时间为20h，行星式球磨机转速为300r/min，采用该球磨机进行机械合金化处理后得到混合均匀的Ti₃Al粉末；

步骤2，退火处理

将步骤1得到的混合均匀的Ti₃Al粉末装入石英坩埚中，放入真空热处理炉中，选用温度为900℃，保温时间为1h，对Ti₃Al粉末进行退火处理。

步骤3，制备Ti₃Al和碳粉混合粉末

根据拟制备的Ti₃AlC₂的化学计量比确定Ti₃Al、碳的摩尔比，根据公式（1）计算出二者的质量比，再按需要制备的Ti₃AlC₂材料的总质量，计算出所需的碳粉的质量；

按照球料质量比为3:1的比例，称取好碳粉、不锈钢球，并将其与步骤2中经退火处理的Ti₃Al粉末一同放入行星式球磨机的球磨罐中进行混粉，混粉时间为8h，球磨机转速为120r/min，采用该球磨机进行混粉后得到混合均匀的Ti₃Al和碳粉粉末；

步骤4，压制成型

将步骤3中制得的混合均匀的Ti₃Al和碳粉粉末装入钢模中，选用的压强为150MPa，保压时间为1min，经过压制后制得Ti₃Al和碳的粉末压坯；

步骤5，反应烧结

将步骤4所制得的Ti₃Al和碳的粉末压坯放入气氛保护烧结炉中进行烧结，保护气氛为氩气，烧结温度为1200℃，以10℃/min的速度升至设定的烧结温度，并在烧结温度下保温1小时，最后随炉冷却至室温，即制得高纯的Ti₃AlC₂块体材料。

实施例

预采用机械合金化结合反应烧结制备质量为30g的Ti₃AlC₂块体材料，其操作步骤为：

根据Ti₃Al的化学计量比，首先确定拟合金化的钛、铝的摩尔比为3:1，按照公式（1）计算出其质量比为5.32:1，根据拟制备的Ti₃AlC₂块体材料的总质量30g，计算并称取22.14g粒度为60-80μm的钛粉和4.16g粒度为60-80μm的铝粉。将所称取的钛粉、铝粉按球料质量比为10:1的比例，与263g的钨球同时放入球磨罐中，在QM-1SP1-CL型行星式球磨机上进行球磨20小时，球磨机的转速为300r/min，然后，将球磨后的Ti₃Al粉末装入石英坩埚并在真空热处理炉中退火1h，退火温度为900℃。

接下来，根据拟制备的Ti₃AlC₂的化学计量比确定Ti₃Al、碳的摩尔比为1:2，按照公式（1）计算出二者的质量比为7.1:1，根据拟制备的Ti₃AlC₂块体材料的总质量30g，计算并称取3.7g粒度为45-55μm的炭粉，并将其与退火处理后的Ti₃Al粉末以及90g不锈钢球同时放入QM-1SP1-CL型行星式球磨机混料罐中，其中球料质量比为3:1，该球磨机的转速为120r/min，混粉8小时后得到混合均匀的Ti₃Al和碳的粉末。

采用Ф30的钢模将混合均匀的Ti₃Al和碳的粉末在150MPa的压强下，保压时间1min，压制成粉末压坯。最后将压制好的Ti3Al和碳的粉末压坯放入SBG-O7H型气氛保护烧结炉中，采用氩气保护，在1200℃烧结1小时，其升温速率为10℃/min，最后随炉冷却至室温，即制得高纯的Ti₃AlC₂块体材料。

如图2本发明一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法的实施例中机械合金化后的粉末经退火处理所制得的Ti₃Al金属间化合物粉末的X射线衍射图谱所示，可以看出，经机械合金化和真空退火处理后的粉末主要为Ti₃Al，仅存在少量的TiO₂；

如图3本发明一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法的实施例中所制备的Ti₃AlC₂块体材料的X射线衍射图谱，经X射线衍射分析，制得的Ti₃AlC₂块体材料的纯度为97.56%，其中少量的杂质相为Ti₃Al，高于目前其他方法制备Ti₃AlC₂块体材料的纯度。

如图4本发明一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法的实施例中所制备的Ti₃AlC₂块体材料放大4000倍的微观结构图，图中所示的全部为片层状的结构，与Ti₃AlC₂相的结构特征相符；

如图5本发明一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法的实施例中所制备的Ti₃AlC₂块体材料的能谱分析结果，从中可以看出，钛、铝、碳三种元素的原子比接近3:1:2，表明所制备的材料为Ti₃AlC₂。

Claims (7)

1.一种高纯Ti₃AlC₂块体材料的制备方法，其特征在于，以钛、铝、碳三种单质粉末为原料，先将钛和铝粉通过高能球磨和退火处理制备高纯Ti₃Al金属间化合物粉末，随后与碳粉均匀混合后通过反应烧结的方式制备高纯的Ti₃AlC₂块体材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1，机械合金化钛、铝混合粉末

根据Ti₃Al的化学计量比确定钛、铝的摩尔比，并根据公式（1）计算出二者的质量比，再按需要制备的Ti₃AlC₂材料的总质量，计算出所需的钛粉和铝粉的质量；

$\frac{m_1}{m_2}=\frac{{\mathrm{mol}}_1}{{\mathrm{mol}}_2}\×\frac{M_1}{M_2}---\left(1\right)$

式中，

为质量比，

为摩尔比，

为相对原子量之比；

按照球料质量比为10:1的比例，将称取好的钛粉、铝粉和钨球同时放入行星式球磨机的球磨罐中，进行机械合金化处理后得到混合均匀的Ti₃Al粉末；

步骤2，退火处理

将步骤1得到的混合均匀的Ti₃Al粉末装入石英坩埚中，放入真空热处理炉中，对Ti₃Al粉末进行退火处理；

步骤3，制备Ti₃Al和碳粉混合粉末

根据Ti₃AlC₂的化学计量比确定Ti₃Al、碳的摩尔比，根据公式（1）计算出二者的质量比，再按需要制备的Ti₃AlC₂材料的总质量，计算出所需碳粉的质量；

按照球料质量比为3:1的比例，称取好碳粉、不锈钢球，并将其与步骤2中经退火处理的Ti₃Al粉末一同放入行星式球磨机的球磨罐中，进行混粉后得到混合均匀的Ti₃Al和碳粉粉末；

步骤4，压制成型

将步骤3中制得的混合均匀的Ti₃Al和碳粉粉末装入钢模中，经过压制后制得Ti₃Al和碳的粉末压坯；

步骤5，反应烧结

将步骤4所制得的Ti₃Al和碳的粉末压坯放入气氛保护烧结炉中进行烧结，最后随炉冷却至室温，即制得高纯的Ti₃AlC₂块体材料。

3.如权利要求2所述的一种制备方法，其特征在于，所述步骤1中行星式球磨机转速为300r/min，球磨时间为20h。

4.如权利要求2所述的一种制备方法，其特征在于，所述步骤2中真空热处理炉选用温度为900℃，保温时间为1h。

5.如权利要求2所述的一种制备方法，其特征在于，所述步骤3中行星式球磨机转速为120r/min，混粉时间为8h。

6.如权利要求2所述的一种制备方法，其特征在于，所述步骤4中钢模选用的压强为150MPa，保压时间为1min。

7.如权利要求2所述的一种制备方法，其特征在于，所述步骤5中的烧结炉的保护气氛为氩气，烧结温度为1200℃，以10℃/min的速度升至设定的烧结温度，并在烧结温度下保温1小时。

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