CN104402450A - 一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法 - Google Patents
一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法,选择Ti、Al和TiN粉为反应起始原料,首先按照一定摩尔比进行球磨混合并压制成块,然后将压块放入空气炉中进行热爆反应,之后将反应体取出,快速冷却后磨去其表面的氧化层,最后将反应体破碎并球磨成粉,经过酸处理、洗涤、干燥后即可得到高纯度的Ti2AlN陶瓷粉体,本发明方法具有合成温度低、时间短、所用设备简单、工艺参数稳定的特点,适用于低成本、规模化生产高纯Ti2AlN陶瓷粉体。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备陶瓷粉体的方法,特别涉及一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法。
背景技术
Ti2AlN陶瓷属于三元层状MAX相陶瓷中的一种,其结构通式为Mn+1AXn,其中M为过渡金属;A为IIIA或IVA族元素;X为C或N;n可取1、2或3,简称MAX。在Ti2AlN的晶胞内,Ti-Al原子层与Ti-N原子层沿c轴方向交替排列,因此其兼具金属和陶瓷的性能,如良好的导电、导热性,优异的强韧性、可加工性以及出色的耐高温、耐腐蚀、耐摩擦磨损等性能。
基于上述Ti2AlN陶瓷特殊的层状结构及优异性能,在工程应用上需要大量的高纯Ti2AlN陶瓷粉体,并以其为原料进行烧结来制备各种致密或多孔陶瓷器件,从而用于高温结构件、耐强酸碱腐蚀件、摩擦磨损件、高温过滤元件及催化剂载体等领域;另一方面,通过对Ti2AlN陶瓷粉体进行液相剥离,能够制备出二维Ti2AlN或Ti2N纳米粉体,这种二维纳米粉体可作为锂离子二次电池或电容器的电极材料、储氢材料以及复合材料的添加相。因此,低成本大规模制备Ti2AlN陶瓷粉体是其在结构或功能领域获得广泛应用的首要条件。
目前,对Ti2AlN陶瓷的研究主要集中在致密块体材料的制备及相关性能的表征,而对其粉体材料的制备还鲜有报道。文献1(M.W. Barsoum,etal.,Metall.Mater.Trans.A,2000;31:1857)以Ti和AlN粉为原料,采用热等静压技术,在1600℃保温4小时或1400℃保温48小时后,制备出Ti2AlN块体材料,但其中含有10-15%的杂质相。文献2(Z.J.Linetal.,ScriptaMater.,2007;56:1115)以Ti、Al和TiN粉为原料,采用热压烧结技术,在单轴压力为25MPa下于1400℃保温1小时,得到高纯致密Ti2AlN块体材料。文献3(M.Yanetal.,Ceram.Inter.,2008;34:1439)以Ti、Al和TiN粉为原料,采用放电等离子体烧结技术,在30MPa单轴压力下于1200℃保温10分钟,也得到高纯致密的Ti2AlN块体材料。文献4(Y.Liuet al.,JEuroCeramSoc.,2011;31:863)以Ti和AlN粉为原料,采用放电等离子烧结技术,在50MPa单轴压力下于1400℃保温5分钟,得到纯度较高的Ti2AlN致密块体材料。
上述方法所用设备昂贵、烧结温度高、产量小、能耗大。如要得到其粉体,需对其进行破碎处理。对于致密Ti2AlN块体材料,由于其强度、硬度较高,在破碎过程中容易引入杂质,从而导致粉体的纯度降低。因此,采用上述方法不能实现Ti2AlN陶瓷粉体的低成本、规模化生产。专利(CN101265109A)公开了一种H相氮化铝钛陶瓷粉体的常压合成方法,具体采用Ti、Al和TiN粉为原料,在氩气气氛下,于1350-1500℃保温10-30分钟,制备出高纯Ti2AlN陶瓷粉体。该方法虽然可以实现规模化生产,但其烧结温度过高,导致晶粒粗大且能耗大,从而其制备成本也较高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法,该方法以Ti、Al和TiN粉为原料,利用其热爆反应,能够在极低的温度下快速制备出Ti2AlN陶瓷粉体,具有操作简便、重复性强、成本低、适合规模化生产的特点。
为了达到上述目的,本发明采取的技术方案为:一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法,步骤如下:
步骤1:以Ti粉、Al粉和TiN粉为反应起始原料,按照其摩尔比x:x:1进行称料,其中,x=1-1.2,然后将粉体置入球磨罐中,以酒精为球磨介质,在球料比为4:1、转速为400转/分钟的条件下球磨2-6小时,磨后的粉料在80℃下真空干燥4小时得到均匀混合粉料;
步骤2:将步骤1所制得的混合粉料放入内径为10mm的不锈钢模具内,在单轴压力为50-500MPa的条件下冷压成厚度小于10mm的圆块;
步骤3:将步骤2所制得的压块直接放入温度为700-850℃的空气炉中进行热爆反应,保温1-5分钟后,将反应后的压块直接从空气炉内取出,快速冷却后磨去其表面的氧化层;
步骤4:将步骤3所制得的压块破碎并采用干磨的方法球磨成粉,球料比为8:1,转速为200-400转/分钟,球磨时间为1-4小时,对该粉体进行1-3小时的酸处理,经过酒精洗涤2-5次,并于80℃下真空干燥4小时后,得到高纯度的Ti2AlN陶瓷粉体。
所述步骤4中采用的酸洗介质为醋酸或稀硫酸或稀盐酸。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
1.本发明利用Ti、Al和TiN粉的热爆反应,可以在极低的温度(700℃)下和超短的时间(1分钟)内合成出Ti2AlN陶瓷,因此制备过程能耗小、成本低。
2.本发明利用热爆反应制备出的Ti2AlN陶瓷具有一定空隙及微裂纹,容易破碎并球磨成粉,所得粉体粒径小、纯度高并且产率大。
3.本发明所用合成设备为空气炉,整个工艺流程简单,工艺参数稳定且容易控制,宜于实现其规模化生产。
附图说明
图1是实施例2中热爆反应前后压坯的XRD图谱。
图2是实施例2所得Ti2AlN陶瓷块体及粉体的微观形貌图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例一:
步骤1:按照Ti、Al和TiN粉的摩尔比为1:1:1进行称料,然后将粉体置入球磨罐中,以酒精为球磨介质,在球料比为4:1、转速为400转/分钟的条件下球磨4小时,磨后的粉料在80℃下真空干燥4小时得到均匀混合粉料;
步骤2:将步骤1所制得的混合粉料放入内径为10mm的不锈钢模具内,在单轴压力为200MPa的条件下冷压成厚度为5mm的圆块;
步骤3:将步骤2所制得的压块直接放入温度为850℃的空气炉中进行热爆反应,保温5分钟后,将反应后的压块直接从空气炉内取出,快速冷却后磨去其表面的氧化层;
步骤4:将步骤3所制得的压块破碎并采用干磨的方法球磨成粉,球料比为8:1,转速为400转/分钟,球磨时间为4小时,利用醋酸对该粉体进行处理1小时,经过酒精洗涤3次,并于80℃下真空干燥4小时后,得到高纯度的Ti2AlN陶瓷粉体。
实施例二:
步骤1:按照Ti、Al和TiN粉的摩尔比为1.1:1.1:1进行称料,然后将粉体置入球磨罐中,以酒精为球磨介质,在球料比为4:1、转速为400转/分钟的条件下球磨4小时,磨后的粉料在80℃下真空干燥4小时得到均匀混合粉料;
步骤2:将步骤1所制得的混合粉料放入内径为10mm的不锈钢模具内,在单轴压力为100MPa的条件下冷压成厚度为5mm的圆块;
步骤3:将步骤2所制得的压块直接放入温度为800℃的空气炉中进行热爆反应,保温5分钟后,将反应后的压块直接从空气炉内取出,快速冷却后磨去其表面的氧化层;
步骤4:将步骤3所制得的压块破碎并采用干磨的方法球磨成粉,球料比为8:1,转速为400转/分钟,球磨时间为4小时,利用醋酸对该粉体进行处理2小时,经过酒精洗涤3次,并于80℃下真空干燥4小时后,得到高纯度的Ti2AlN陶瓷粉体。
参见图1,是实施例2中爆反应前后压坯的XRD图谱,其中(a)为热爆反应结束并磨去表面氧化层后坯体的XRD图谱,(b)为热爆反应前压坯的XRD图谱。
参见图2,是实施例2热爆反应结束后所得Ti2AlN陶瓷块体及粉体的微观形貌图。其中(a)为块体断面图,(b)为球磨处理、酸洗后的粉体形貌图。
实施例三:
步骤1:按照Ti、Al和TiN粉的摩尔比为1.2:1.2:1进行称料,然后将粉体置入球磨罐中,以酒精为球磨介质,在球料比为4:1、转速为400转/分钟的条件下球磨4小时,磨后的粉料在80℃下真空干燥4小时得到均匀混合粉料;
步骤2:将步骤1所制得的混合粉料放入内径为10mm的不锈钢模具内,在单轴压力为50MPa的条件下冷压成厚度为5mm的圆块;
步骤3:将步骤2所制得的压块直接放入温度为700℃的空气炉中进行热爆反应,保温3分钟后,将反应后的压块直接从空气炉内取出,快速冷却后磨去其表面的氧化层;
步骤4:将步骤3所制得的压块破碎并采用干磨的方法球磨成粉,球料比为8:1,转速为400转/分钟,球磨时间为4小时,利用稀盐酸对该粉体进行处理3小时,经过酒精洗涤3次,并于80℃下真空干燥4小时后,得到高纯度的Ti2AlN陶瓷粉体。
实施例四:
步骤1:按照Ti、Al和TiN粉的摩尔比为1.1:1.1:1进行称料,然后将粉体置入球磨罐中,以酒精为球磨介质,在球料比为4:1、转速为400转/分钟的条件下球磨4小时,磨后的粉料在80℃下真空干燥4小时得到均匀混合粉料;
步骤2:将步骤1所制得的混合粉料放入内径为10mm的不锈钢模具内,在单轴压力为100MPa的条件下冷压成厚度为5mm的圆块;
步骤3:将步骤2所制得的压块直接放入温度为850℃的空气炉中进行热爆反应,保温3分钟后,将反应后的压块直接从空气炉内取出,快速冷却后磨去其表面的氧化层;
步骤4:将步骤3所制得的压块破碎并采用干磨的方法球磨成粉,球料比为8:1,转速为400转/分钟,球磨时间为4小时,利用醋酸对该粉体进行处理2小时,经过酒精洗涤3次,并于80℃下真空干燥4小时后得到高纯度的Ti2AlN陶瓷粉体。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:以Ti粉、Al粉和TiN粉为反应起始原料,按照其摩尔比x:x:1进行称料,其中,x=1-1.2,然后将粉体置入球磨罐中,以酒精为球磨介质,在球料比为4:1、转速为400转/分钟的条件下球磨2-6小时,磨后的粉料在80℃下真空干燥4小时,得到均匀混合粉料;
步骤2:将步骤1所制得的混合粉料放入内径为10mm的不锈钢模具内,在单轴压力为50-500MPa的条件下,冷压成厚度小于10mm的圆块;
步骤3:将步骤2所制得的压块直接放入温度为700-850℃的空气炉中进行热爆反应,保温1-5分钟后,将反应后的压块直接从空气炉内取出,快速冷却后磨去其表面的氧化层;
步骤4:将步骤3所制得的压块破碎并采用干磨的方法球磨成粉,球料比为8:1,转速为200-400转/分钟,球磨时间为1-4小时,对该粉体进行1-3小时的酸处理,经过酒精洗涤2-5次,并于80℃下真空干燥4小时后,得到高纯度的Ti2AlN陶瓷粉体。
2.根据权利要求1所述的一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法,其特征在于,所述步骤4中采用的酸洗介质为醋酸或稀硫酸或稀盐酸。
3.根据权利要求1所述的一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:按照Ti、Al和TiN粉的摩尔比为1:1:1进行称料,然后将粉体置入球磨罐中,以酒精为球磨介质,在球料比为4:1、转速为400转/分钟的条件下球磨4小时,磨后的粉料在80℃下真空干燥4小时得到均匀混合粉料;
步骤2:将步骤1所制得的混合粉料放入内径为10mm的不锈钢模具内,在单轴压力为200MPa的条件下,冷压成厚度为5mm的圆块;
步骤3:将步骤2所制得的压块直接放入温度为850℃的空气炉中进行热爆反应,保温5分钟后,将反应后的压块直接从空气炉内取出,快速冷却后磨去其表面的氧化层;
步骤4:将步骤3所制得的压块破碎并采用干磨的方法球磨成粉,球料比为8:1,转速为400转/分钟,球磨时间为4小时,利用醋酸对该粉体进行处理1小时,经过酒精洗涤3次,并于80℃下真空干燥4小时后,得到高纯度的Ti2AlN陶瓷粉体。
4.根据权利要求1所述的一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:按照Ti、Al和TiN粉的摩尔比为1.1:1.1:1进行称料,然后将粉体置入球磨罐中,以酒精为球磨介质,在球料比为4:1、转速为400转/分钟的条件下球磨4小时,磨后的粉料在80℃下真空干燥4小时得到均匀混合粉料;
步骤2:将步骤1所制得的混合粉料放入内径为10mm的不锈钢模具内,在单轴压力为100MPa的条件下,冷压成厚度为5mm的圆块;
步骤3:将步骤2所制得的压块直接放入温度为800℃的空气炉中进行热爆反应,保温5分钟后,将反应后的压块直接从空气炉内取出,快速冷却后磨去其表面的氧化层;
步骤4:将步骤3所制得的压块破碎并采用干磨的方法球磨成粉,球料比为8:1,转速为400转/分钟,球磨时间为4小时,利用醋酸对该粉体进行处理2小时,经过酒精洗涤3次,并于80℃下真空干燥4小时后,得到高纯度的Ti2AlN陶瓷粉体。
5.根据权利要求1所述的一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:按照Ti、Al和TiN粉的摩尔比为1.2:1.2:1进行称料,然后将粉体置入球磨罐中,以酒精为球磨介质,在球料比为4:1、转速为400转/分钟的条件下球磨4小时,磨后的粉料在80℃下真空干燥4小时,得到均匀混合粉料;
步骤2:将步骤1所制得的混合粉料放入内径为10mm的不锈钢模具内,在单轴压力为50MPa的条件下,冷压成厚度为5mm的圆块;
步骤3:将步骤2所制得的压块直接放入温度为700℃的空气炉中进行热爆反应,保温3分钟后,将反应后的压块直接从空气炉内取出,快速冷却后磨去其表面的氧化层;
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6.根据权利要求1所述的一种基于热爆反应低温快速制备Ti2AlN陶瓷粉体的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:按照Ti、Al和TiN粉的摩尔比为1.1:1.1:1进行称料,然后将粉体置入球磨罐中,以酒精为球磨介质,在球料比为4:1、转速为400转/分钟的条件下球磨4小时,磨后的粉料在80℃下真空干燥4小时,得到均匀混合粉料;
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