CN104032197A - 一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，首先以TiN粉末、二茂镍作为原料，采用旋转化学气相沉积法制备得到TiN-Ni复合陶瓷粉末；再采用放电等离子烧结法将所述TiN-Ni复合陶瓷粉末烧结成TiN-Ni复合陶瓷。本发明所制备的复合陶瓷粉末Ni均匀分布于TiN表面，不仅显著地提高了TiN粉末的烧结活性，获得高致密度的复合材料，而且使得材料具有优异的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于复合陶瓷材料及制备领域，具体来说是一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法。
背景技术
TiN陶瓷具有熔点高、强度高、硬度高、韧性强、化学稳定性好等一系列优异性能，在微电子制造、机械切削、汽车制造、航空航天等许多领域均有广泛的应用。目前，为了进一步提高TiN陶瓷的致密度与力学性能，国内外进行了大量的研究，主要的方法有选用超细TiN粉末与添加烧结助剂(如：B4C、Al、Co、Ni等)。虽然超细TiN粉末的活性很大，但是制备过程复杂，粉末的纯度低；研究结果表明：B4C的添加并不能有效地提高TiN陶瓷的烧结性能，烧结温度需达到2000℃，而且断裂韧性也不高；Al的添加显著地提高了TiN陶瓷致密度，但是容易形成第二相Ti2AlN，而Ti2AlN的维氏显微硬度低，导致机械性能下降；Co、Ni的添加均能提高TiN陶瓷致密度，也不易形成第二相，但是TiN-Co的力学性能不如TiN-Ni。因此，Ni是良好的烧结助剂。然而，传统的混料方法(如：球磨混料、玛瑙研磨等)无法使TiN粉末与烧结助剂在微观尺度上达到混合均匀，仅是两种颗粒的机械混合。使用这样的复合粉末制备陶瓷材料容易在材料中形成金属相的偏析，使材料的力学性能大幅降低。
综上所述，TiN-Ni复合陶瓷制备主要存在的问题是：Ni粉末无法在微观尺度上均匀的分布在TiN表面，使得烧结过程中材料内部结构不均匀、产生大量的气孔和疏松，导致材料的致密度、硬度、断裂韧性均降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，使烧结助剂Ni粉末能均匀的分布在TiN表面，高致密且力学性能优异。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，首先以TiN粉末、二茂镍(Ni(C5H5)2)作为原料，采用旋转化学气相沉积法制备得到TiN-Ni复合陶瓷粉末；再采用放电等离子烧结法将所述TiN-Ni复合陶瓷粉末烧结成TiN-Ni复合陶瓷。
按上述方案，所述旋转化学气相沉积法具体条件为：将TiN粉末置于旋转化学气相沉积装置的反应腔，反应腔体的转速为30-60rpm，其内部温度为400-800℃，并且还设有从内壁面往轴心延伸的多个搅拌刀片用于搅拌TiN粉末；将Ni(C5H5)2置于旋转化学气相沉积装置的前驱体罐，将Ni(C5H5)2加热到110℃时由载流气带入反应腔体内，通入反应气体O2，O2流速为0-300sccm，通过调节抽气阀来控制腔体内的压强为400-2000Pa，反应时间为0.5-2h。
按上述方案，所述放电等离子烧结法的具体条件为：升温速率为60-120℃/min，烧结温度为1400-2000℃，烧结压力为80-120MPa，保温时间为0.4-1ks。
按上述方案，所述载流气是惰性气体，如氩气Ar，载流气的流速为50‐200sccm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用旋转式化学气相沉积法，使Ni均匀的分布在TIN粉末的表面；O2作为反应气体，能有效抑制碳纳米管的生成，因为碳纳米管会阻碍TiN-Ni粉末的烧结；经等离子烧结后的TiN-Ni复合陶瓷致密度可高达98％，力学性能也有显著的提高，其平均维氏硬度高达15.5GPa，其断裂韧性达3.8MPa m1/2。
附图说明
图1为本发明采用的旋转化学气相沉积装置的纵向截面图，其中1-反应腔，2-TiN粉末，3-Ni(C5H5)2，4-反应气体O2，5-载流气体Ar，6-真空泵，7-加热丝，8-刀片；
图2为本发明采用的旋转化学气相沉积装置的横向截面图，其中9‐TiN-Ni复合陶瓷粉末；
图3为本发明制备的TiN-Ni复合陶瓷粉末的放大示意图；
图4为本发明实施例1制备的TiN-Ni复合陶瓷粉末的扫描电镜；
图5为本发明实施例2制备的TiN-Ni复合陶瓷粉末的扫描电镜；
图6为本发明实施例2制备的TiN-Ni复合陶瓷扫描图；
图7为本发明实施例2所制备的TiN-Ni复合陶瓷与传统球磨混合法制备的TiN-Ni复合陶瓷的压痕比较图；
图8为本发明实施例3所制备的TiN-Ni复合陶瓷粉末的XRD图谱。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
(1)将粒子大小约为1μm的TiN粉末置于旋转化学气相沉积装置的反应腔体内，将腔体加热到500℃并使腔体的转速为30rpm，反应腔设有从内壁面往轴心侧延伸的4个搅拌刀片用于搅拌TiN粉末；
将足量的Ni(C5H5)2置于旋转化学气相沉积装置的前驱体罐，Ni(C5H5)2加热到110℃后由Ar气带入反应腔体内，Ar气的流速为50sccm，不通入反应气体O2(即O2流速为0)，通过调节真空泵抽气阀使整个腔体的压强为800Pa，反应时间为2h，即得到TiN-Ni复合陶瓷粉末；
所述前驱体罐中的Ni(C5H5)2足量的，当反应2h后，停止通入含有Ni(C5H5)2的载流气和反应气体即可，在整个反应过程中保证含有Ni(C5H5)2的载流气和反应气体的通入；
(2)将所制得的TiN-Ni复合陶瓷粉末压胚成型后进行等离子烧结，以速率为80℃/min升温至烧结温1600℃，烧结的压力为80MPa，保温时间为0.6Ks，得到TiN-Ni复合陶瓷。
其中，步骤(1)旋转化学气相沉积法制备得到TiN-Ni复合陶瓷粉末的扫描电镜图，如图4，从图中可以看出Ni在TiN颗粒表面均匀分布，与图3示意图吻合，但是在不通入O2的情况下，可以观察到碳纳米管的形成。
等离子烧结后所得到的TiN-Ni复合陶瓷，其致密度达到95％，其平均维氏硬度高达13GPa，断裂韧性达4.5MPa m1/2。
实施例2
一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
(1)将粒子大小约为1μm的TiN粉末置于旋转化学气相沉积装置的反应腔体内，将腔体加热到600℃并使腔体的转速为45rpm，反应腔设有从内壁面往轴心侧延伸的4个搅拌刀片用于搅拌TiN粉末；
将足量的Ni(C5H5)2置于旋转化学气相沉积装置的前驱体罐，Ni(C5H5)2加热到110℃后由Ar气带入反应腔体内，其流速为100sccm，通入反应气体O2，O2流速为50sccm，通过调节真空泵抽气阀使整个腔体的压强为1200Pa，反应时间为0.5h，即得到TiN-Ni复合陶瓷粉末；
(2)将所制得的TiN-Ni复合陶瓷粉末压胚成型后进行等离子烧结，以速率为100℃/min升温至烧结温1800℃，烧结的压力为100MPa，保温时间为0.8Ks，得到TiN-Ni复合陶瓷。
其中，步骤(1)旋转化学气相沉积法制备得到TiN-Ni复合陶瓷粉末的扫描电镜图，如图5，Ni在TiN颗粒表面均匀分布，且没有碳纳米管的生成，说明反应气体O2的通入，使得TiN-Ni复合陶瓷粉末纯度更高。
图6为等离子烧结后所得到的TiN-Ni复合陶瓷的扫描电镜图，
等离子烧结后所得到的TiN-Ni复合陶瓷，其致密度达到98％，其平均维氏硬度高达15.5GPa，其断裂韧性达3.8MPa m1/2。
如图7所示，(a)为传统的球磨混合法制备的TiN-Ni复合陶瓷的压痕图，(b)为本实施例制备的TiN-Ni复合陶瓷的压痕图。两者相比，本实施例中的断裂强度有明显的提高。
实施例3
一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
(1)将粒子大小约为1μm的TiN粉末置于旋转化学气相沉积装置的反应腔体内，将腔体加热到700℃并使腔体的转速为45rpm，反应腔设有从内壁面往轴心侧延伸的4个搅拌刀片用于搅拌TiN粉末；
将足量的Ni(C5H5)2置于旋转化学气相沉积装置的前驱体罐，Ni(C5H5)2加热到110℃后由Ar气带入反应腔体内，其流速为150sccm，通入反应气体O2，O2流速为200sccm，通过调节真空泵抽气阀使整个腔体的压强为1600Pa，反应时间为1.5h，即得到TiN-Ni复合陶瓷粉末；
(2)将所制得的TiN-Ni复合陶瓷粉末压胚成型后进行等离子烧结，以速率为100℃/min升温至烧结温1800℃，烧结的压力为100MPa，保温时间为1Ks，得到TiN-Ni复合陶瓷。
图8为本实施例旋转化学气相沉积法制备得到TiN-Ni复合陶瓷粉末的XRD图谱，由图谱可知，所得到的主要物相为TiN。等离子烧结后所得到的TiN-Ni复合陶瓷，其致密度达到94％。
实施例4
一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
(1)将粒子大小约为1μm的TiN粉末置于旋转化学气相沉积装置的反应腔体内，将腔体加热到800℃并使腔体的转速为60rpm，反应腔设有从内壁面往轴心侧延伸的4个搅拌刀片用于搅拌TiN粉末；
将足量的Ni(C5H5)2置于旋转化学气相沉积装置的前驱体罐，Ni(C5H5)2加热到110℃后由Ar气带入反应腔体内，其流速为200sccm，通入反应气体O2，O2流速为300sccm，通过调节真空泵抽气阀使整个腔体的压强为2000Pa，反应时间为2h，即得到TiN-Ni复合陶瓷粉末；
(2)将所制得的TiN-Ni复合陶瓷粉末压胚成型后进行等离子烧结，以速率为120℃/min升温至烧结温2000℃，烧结的压力为120MPa，保温时间为0.4Ks，得到TiN-Ni复合陶瓷。
旋转化学气相沉积法所制备的TiN-Ni复合陶瓷粉末的主要物相为TiN；等离子烧结后所得到的TiN-Ni复合陶瓷，致密度为95％，其平均维氏硬度高达14.5GPa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，其特征在于首先以TiN粉末、二茂镍作为原料，采用旋转化学气相沉积法制备得到TiN-Ni复合陶瓷粉末；再采用放电等离子烧结法将所述TiN-Ni复合陶瓷粉末烧结成TiN-Ni复合陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，其特征在于所述旋转化学气相沉积法具体条件为：将TiN粉末置于旋转化学气相沉积装置的反应腔，反应腔体的转速为30-60rpm，其内部温度为400-800℃，并且还设有从内壁面往轴心延伸的多个搅拌刀片用于搅拌TiN粉末；将Ni(C5H5)2置于旋转化学气相沉积装置的前驱体罐，载流气体为Ar气，将二茂镍加热到110℃时由载流气带入反应腔体内，通入反应气体O2，O2流速为0-300sccm，通过调节反应腔腔体内的压强为400-2000Pa，反应时间控制在0.5-2h。
3.根据权利要求2所述的一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，其特征在于所述载流气流速为50-200sccm。
4.根据权利要求2所述的一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，其特征在于所述载流气为惰性气体。
5.根据权利要求1所述的一种TiN-Ni复合陶瓷的制备方法，其特征在于所述放电等离子烧结法的具体条件为：升温速率为60-120℃/min，烧结温度为1400-2000℃，烧结压力为80-120MPa，保温时间为0.4-1ks。
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