CN105271232A - 一种基于超声辅助热爆反应制备Ti2AlC的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，步骤1：将Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:1:1的摩尔比混合，然后研磨得到混合粉料；步骤2：将混合粉料放入模具中进行冷压得到生坯；步骤3：在惰性氛围中，将生坯直接于700～800℃下加热，当加热90-110s时，将功率为1.0～1.5kW的超声加到坯体上，直至热爆反应结束，从而得到主相为三元Ti₂AlC的反应产物。本发明方法利用超声辅助热爆反应，能够在低温条件下快速制备较纯的Ti₂AlC。

Description

一种基于超声辅助热爆反应制备Ti2AlC的方法

技术领域

本发明属于先进材料快速制备领域，涉及一种热爆反应制备较纯化合物的方法，具体涉及一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法。

背景技术

三元碳化物Ti₂AlC属于六方晶体结构，空间群为P6₃/mmc，其兼具金属和陶瓷的优点：高导电、导热性，优异的强韧性、可加工性以及良好的耐高温、耐腐蚀、耐摩擦磨损等性能。基于上述优点，Ti₂AlC可用于新一代电刷和电极材料、高温发动机材料及各类高温、化学腐蚀条件下工作的各种减磨构件等。目前，基于不同初始反应物体系，Ti₂AlC的制备工艺主要包括热压烧结、SPS烧结、热等静压烧结和燃烧合成法等。以上各制备工艺中，燃烧合成法具有工艺简单、成本低、制备时间短等优点，适合大规模生产。然而，就Ti-Al-C(摩尔比为2:1:1)体系而言，采用传统燃烧合成法(热爆反应)很难制备出纯度较高的Ti₂AlC化合物(Ti₃AlC₂相占较大比例)。文献1(郭俊明等，功能材料，2004,6:763-768)以Ti-Al-C(单质粉末摩尔比2:1:1)为反应物时，热爆反应产物中Ti₃AlC₂为三元主晶相，而非Ti₂AlC。文献2(Z.B.Geetal.,J.Eur.Ceram.Soc.,2003,23:567-574)中得到相似结果。另一方面，传统热爆反应具有快速、剧烈、可控性差等特点，反应产物中多有中间过渡相存在，故不易得到较纯产物。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明方法利用超声辅助热爆反应，能够在低温条件下快速制备较纯的Ti₂AlC。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，包括以下步骤：

步骤1：将Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:1:1的摩尔比混合，然后研磨得到混合粉料；

步骤2：将混合粉料放入模具中进行冷压得到生坯；

步骤3：在惰性氛围中，将生坯直接于700～800℃下加热，当加热90-110s时，将功率为1.0～1.5kW的超声加到坯体上，直至热爆反应结束，从而得到主相为三元Ti₂AlC的反应产物。

进一步地，步骤1中研磨的时间为30-60min。

进一步地，步骤2中所述模具为内径为10mm的圆柱形钢铁模具。

进一步地，步骤2中进行冷压时，对模具中的混合粉料施加50～150MPa的径向压力，得到厚度为10-20cm的圆柱体生坯。

进一步地，步骤3中的惰性氛围为氩气氛围。

进一步地，所述的Ti粉、Al粉和石墨粉的纯度均为99.9％，粒度均≤100μm。

一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，包括以下步骤：

步骤1：将Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:1:1的摩尔比混合，然后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料；

步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生坯；

步骤3：在氩气氛围中，将生坯于730℃下加热，当加热100s时，将功率为1.5kW的超声通过超声变幅杆直接加到坯体上，直至热爆反应结束，从而得到主相为三元Ti₂AlC的反应产物。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明方法利用超声辅助热爆反应，能够在简单工艺下制备较纯的Ti₂AlC，将高强超声与热爆反应相结合主要基于以下考虑：Ti-Al-C热爆反应过程中，将产生大量的热量，体系中将出现液相，而高强超声在液体中可产生超声空化效应，超声空化效应可在极短时间内产生(<10μs)，能够在液体中产生局部瞬时高温高压(5000℃，500个标准大气压)，并伴有强烈冲击波和微射流，这些空化效应可实现非均相反应物间的均匀混合，加快物质传输速率，提高化学反应速率，进而获得最终反应产物，故超声在热爆反应制备Ti₂AlC过程中可以发挥其作用，实现对传统热爆反应的有效控制，此工艺同样可适用于热爆反应制备其它较纯化合物，为传统热爆反应难于制备的化合物提供新的思路。

另外，在此发明基础上制备的较纯Ti₂AlC三元陶瓷，可经破碎处理得到Ti₂AlC粉体，也可将超声辅助与挤压相结合(超声振幅杆起到压头作用)，制备块体材料(包括块体陶瓷、金属间化合物和复合材料等)。

附图说明

图1为实施例1中Ti-Al-C坯体热爆反应中的温度变化曲线；

图2为实施例1中初始Al-Ti-C坯体、无超声辅助热爆反应产物及超声辅助热爆反应产物形貌图；

图3为实施例1中无超声辅助热爆反应产物和超声辅助热爆辅助产物断面形貌图；

图4为实施例1中无超声辅助热爆反应产物断面形貌放大图；

图5为实施例1中超声辅助热爆反应辅助产物断面形貌放大图；

图6为实施例1中超声辅助Ti-Al-C热爆反应产物与无超声辅助热爆反应产物的XRD对比图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，包括以下步骤：

步骤1：将纯度均为99.9％，粒度均≤100μm的Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:1:1的摩尔比混合，然后在玻璃研钵中充分研磨30-60min(或采用球磨工艺研磨)，得到混合粉料；

步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在50～150MPa的径向压力下冷压成厚度为10-20cm的圆柱体生坯；；

步骤3：在惰性氛围(氩气氛围)中，将生坯于700～800℃下加热，当加热90-110s时，将功率为1.0～1.5kW的超声通过超声变幅杆直接加到坯体上，直至热爆反应结束(热爆反应较为剧烈，反应过程中会发出耀眼的白光)，从而得到主相为三元Ti₂AlC的反应产物。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

步骤1：将Ti粉(纯度99.9％，平均粒度20μm)、Al粉(纯度99.9％，平均粒度40μm)和石墨粉(纯度99.9％，平均粒度40μm)按照2:1:1的摩尔比混合，然后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料；

步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生坯；

步骤3：在氩气氛围中，将生坯于730℃下加热，当加热100s时，将功率为1.5kW的超声通过超声变幅杆直接加到坯体上，直至热爆反应结束，从而得到主相为三元Ti₂AlC的反应产物。

图1为Al-Ti-C坯体加热过程中的温度变化曲线。当坯体加热至95s，其温度约为660℃，此时为铝粉熔化阶段。当加热时间约为102s时，坯体发生急剧的热爆反应，伴有耀眼的白光，且坯体温度急剧超过1200℃。Al-Ti-C坯体、无超声辅助热爆反应产物及超声辅助热爆反应产物照片如图2所示。产物外表光滑，显示其为凝固产物。无超声辅助时，产物为不规则形状。超声辅助下，产物大致为圆柱体形貌。两种产物内部形貌如图3所示。由于热爆反应剧烈，无超声辅助产物为多孔结构，且孔径可达几个毫米。超声作用下，产物为较为致密的多孔结构，其孔径明显小于无超声辅助产物。图4及5分别为无超声辅助及超声辅助产物的内部形貌放大图。从中可见，超声可促进热爆反应中液相的流动，并在超声挤压作用下，产物致密程度显著提高。

通过图6中两种产物的XRD图谱分析。无超声辅助时，产物中存在相为Ti₃AlC₂、Ti₂AlC和TiC相，且Ti₃AlC₂相含量远远高于Ti₂AlC。超声产物中同样存在Ti₃AlC₂、Ti₂AlC和TiC相，而Ti₂AlC为其重要三元陶瓷相，且TiC含量较无超声辅助产物减少。结果显示，超声有利于Ti2AlC相的生成，并可减少中间相TiC的含量。

实施例2

步骤1：将Ti粉(纯度99.9％，平均粒度20μm)、Al粉(纯度99.9％，平均粒度40μm)和石墨粉(纯度99.9％，平均粒度40μm)按照2:1:1的摩尔比混合，然后在玻璃研钵中充分研磨40min，得到混合粉料；

步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为10mm的圆柱体生坯；

步骤3：在氩气氛围中，将生坯于780℃下加热，当加热95s时，将功率为1.0kW的超声通过超声变幅杆直接加到坯体上，直至热爆反应结束，从而得到主相为三元Ti₂AlC的反应产物。

实施例3

步骤1：将Ti粉(纯度99.9％，平均粒度20μm)、Al粉(纯度99.9％，平均粒度40μm)和石墨粉(纯度99.9％，平均粒度40μm)按照2:1:1的摩尔比混合，然后在玻璃研钵中充分研磨50min，得到混合粉料；

步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为20mm的圆柱体生坯；

步骤3：在氩气氛围中，将生坯于700℃下加热，当加热110s时，将功率为1.3kW的超声通过超声变幅杆直接加到坯体上，直至热爆反应结束，从而得到主相为三元Ti₂AlC的反应产物。

实施例4

步骤1：将Ti粉(纯度99.9％，平均粒度20μm)、Al粉(纯度99.9％，平均粒度40μm)和石墨粉(纯度99.9％，平均粒度40μm)按照2:1:1的摩尔比混合，然后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料；

步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生坯；

步骤3：在氩气氛围中，将生坯于800℃下加热，当加热90s时，将功率为1.5kW的超声通过超声变幅杆直接加到坯体上，直至热爆反应结束，从而得到主相为三元Ti₂AlC的反应产物。

Claims (7)

1.一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:1:1的摩尔比混合，然后研磨得到混合粉料；

步骤2：将混合粉料放入模具中进行冷压得到生坯；

步骤3：在惰性氛围中，将生坯直接于700～800℃下加热，当加热90-110s时，将功率为1.0～1.5kW的超声加到坯体上，直至热爆反应结束，从而得到主相为三元Ti₂AlC的反应产物。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，其特征在于，步骤1中研磨的时间为30-60min。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，其特征在于，步骤2中所述模具为内径为10mm的圆柱形钢铁模具。

4.根据权利要求3所述的一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，其特征在于，步骤2中进行冷压时，对模具中的混合粉料施加50～150MPa的径向压力，得到厚度为10-20cm的圆柱体生坯。

5.根据权利要求1所述的一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，其特征在于，步骤3中的惰性氛围为氩气氛围。

6.根据权利要求1所述的一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，其特征在于，所述的Ti粉、Al粉和石墨粉的纯度均为99.9％，粒度均≤100μm。

7.一种基于超声辅助热爆反应制备Ti₂AlC的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将Ti粉、Al粉和石墨粉按照2:1:1的摩尔比混合，然后在玻璃研钵中充分研磨30min，得到混合粉料；

步骤2：将混合粉料放入内径为10mm的圆柱形钢铁模具中，将其在130MPa的径向压力下冷压成厚度为15mm的圆柱体生坯；

步骤3：在氩气氛围中，将生坯于730℃下加热，当加热100s时，将功率为1.5kW的超声通过超声变幅杆直接加到坯体上，直至热爆反应结束，从而得到主相为三元Ti₂AlC的反应产物。