CN105777127A

CN105777127A - 一种高纯度Ti2SnC粉体的制备方法

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Publication number: CN105777127A
Application number: CN201610113861.XA
Authority: CN
Inventors: 孙正明; 丁健翔; 张培根; 张亚梅; 刘玉爽; 张敏
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2016-07-20

Abstract

一种高纯Ti₂SnC金属性陶瓷粉体的制备方法，以Ti、Sn和C粉为原料，按Ti∶Sn∶C＝2∶(1～1.2)∶1的摩尔比混合1～100小时后，加热处理。在保护性气氛或真空环境下，900～1500℃加热保温10～200分钟，即可得到高纯度Ti₂SnC粉体。该方法具有：所用设备简单，合成Ti₂SnC粉体时间短，纯度高，无Ti₂C杂质存在，适合大规模生产应用。

Description

一种高纯度Ti2SnC粉体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属性陶瓷粉体的制备方法，特别是一种无压大量合成高纯度Ti₂SnC粉体的方法。

背景技术

Ti₂SnC材料属于层状MAX相金属陶瓷材料，结合了金属和陶瓷的双重特点，即具有金属材料的高的导电、导热、较低的硬度和良好的加工性能，又具有陶瓷材料的高强度、Young’s模量、抗热震和抗腐蚀性能。此外，由于其特殊的层状结构还具有类似石墨一样的自润滑性能。Ti₂SnC具有广泛的应用前景，如其优良的导电、导热和加工性能可以作为复合材料的增强相，不仅可以提高材料的强度和模量，还能优化材料的导电导热性能，并可以加工成任意形状。此外，Ti₂SnC材料由于良好的导电和自润滑性能还可以应用于构件中的耐磨擦部位、耐腐蚀部件以及Ag基或者Cu基的电刷材料，在电器、航空航天、高铁、汽车以及机械领域均有广泛的应用前景，因此制备高纯度的Ti₂SnC粉末具有十分重要的意义。

W.Jeitschko等人在1963年使用热压法在1200℃条件下首次合成了Ti₂SnC，并确定了它的晶体结构，其空间群属于P6₃/mmc，晶格常数为a＝0.3618nm，c＝1.3630nm，但是W.Jeitschko等人并没有对Ti₂SnC的性能进行研究(W.Jeitschko，等.JournaloftheLessCommonMetals.1963，7(2)，133-138)。1997年，M.W.Barsoum等人第一次使用热等静压法(HIP)在1325℃，50MPa和Ar气氛保护条件下合成了较高密度单相的Ti₂SnC块体，但是还是存在较多的Sn和TiC_x。研究表明Ti₂SnC具有较高的密度(6.12g/cm³)，较低的维氏硬度(3.5GPa)，较高的电导率(14×10⁶(Ω·m)^-1)(M.W.Barsoum，等.ScriptaMaterialia.1997，37(10)，1583-1591)。H.Vincent等人在1998年以Ti，Sn，C为原料在感应炉中1200℃保温6h合成了Ti₂SnC，不过产物中含有TiC，Sn，Ti₆Sn₅，Ti₅Sn₃和Ti₃Sn等杂相，Ti₂SnC具有片层状结构(H.Vincent，等.MaterialsScienceandEngineeringA.1998，256：83-91)。2000年，El-Raghy等人研究发现，Ti∶Sn∶C＝2∶1∶1的原料粉在球磨机球磨24h以后280MPa压片，然后热等静压在1250～1325℃范围内保温12h即可获得较纯的Ti₂SnC粉体，只有少量的Sn残留(El-Raghy，等.JournaloftheEuropeanCeramicSociety.2000，20(14-15)，2619-2625)。2002年Y.C.Zhou等人用混合10h后的Ti，Sn，C粉末压片，然后Ar气氛保护下1250℃热压烧结2h，压力为30MPa，最后获得了较高纯度的板状Ti₂SnC粉末(Y.C.Zhou，等.MaterialsResearchInnovations.2002，6(5-6)，219-225)。S.B.Li等人于2006年分别用混合10h后的Ti，Sn，C和Ti，Sn，TiC粉料冷压成型后，在真空炉中烧结1-6h，能够获得较高纯度的Ti₂SnC粉体，该粉体具有片状结构(S.B.Li，等.JournaloftheAmericanCeramicSociety.2006，89(12)，3617-3623)。2007年，S.B.Li等人又使用机械合金化方法，以80∶1的球料比先将C粉在300rpm条件下机械球磨5h，再将预球磨的C粉与Ti，Sn粉以150rpm一起机械球磨10h后，最后在950℃下热处理0.5～1h，能够获得较纯的Ti₂SnC，不过产物中残留部分TiC和Sn，Ti₂SnC的形貌是片状和板状的(S.B.Li，等.MaterialsScienceandEngineering：A.2007，457(1-2)，282-286)。2010年C.L.Yeh等人研究了不同TiC含量对Ti，Sn，C体系自蔓延法制备Ti₂SnC粉体的影响，结果显示自蔓延温度在1200℃，TiC添加量在0.6％摩尔时，能够制备出较纯的Ti₂SnC，只有少量的TiC和Sn残余，Ti₂SnC呈现板片状结构(C.L.Yeh，等.JournalofAlloysandCompounds.2010，502(2)，461-465)。Y.X.Li等人2011年使用自蔓延法在1500℃左右制备出了板状的Ti₂SnC，但是产物中存在大量TiC，Sn和Ti₆Sn₅(Y.X.Li，等.InternationalJournalofRefractoryMetalsandHardMaterials.2011，29(6)，751-754)。

虽然上述制备方法都能制备出较纯的Ti₂SnC，但是这些制备方式存在一些问题：1)制备方式较为复杂，制备过程时间较长，有的都经过长时间混粉再压片然后再烧结，有的是原料分别经过长时间机械合金后再压片然后再烧结。2)采用的烧结设备较为昂贵，成本较高，有的是采用热压(HP)烧结和热等静压(HIP)烧结，有的是使用真空气氛烧结和自蔓延(SHS)烧结，甚至有的采用等离子烧结(SPS)，这些昂贵的设备无形中提高了制备Ti₂SnC粉末的成本，难以大规模实际生产。3)这些方法制备出来的Ti₂SnC粉末或多或少都含有TiC，Sn甚至Ti₆Sn₅，Ti₅Sn₃等残留产物，不仅影响了Ti₂SnC的合成纯度，而且损害了其优良的导电性、自润滑性和可加工性。因此，从工业化应用生产的角度来看，不能使用HP、HIP、SPS以及SHS等高成本的烧结设备，应该采用无压烧结，较短的时间内生产出纯度较高的Ti₂SnC，降低生产成本。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种高纯Ti₂SnC粉体的制备方法，改变传统的较为复杂制备工艺，直接使用Ti，Sn，C粉混合过程替代球磨加压片或者混合加压片的方式，以无压烧结技术替代昂贵的真空、热压、热等静压、自蔓延甚至SPS烧结技术，在900～1500℃范围内合成高纯度的Ti₂SnC，解决现有制备技术中存在的过程复杂，制备时间长，设备昂贵以及产物纯度低等问题。

技术方案：本发明是一种高纯Ti₂SnC粉体的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤1.以钛Ti、锡Sn、石墨C粉为原料，按Ti∶Sn∶C＝2∶(1～1.2)∶1的摩尔比分别配料；

步骤2.将上述配好的粉料混合1～100小时；

步骤3.在保护性气氛或者真空中，将上述混和粉料直接加热到900～1500℃；

步骤4.将上述加热到900～1500℃的粉体保温10～200分钟；得到高纯的Ti₂SnC粉末。

所述的保护性气氛为Ar气氛。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)直接使用Ti，Sn，C作为初始原料，所有原料简单易得，市场上均能购买。

(2)本发明工艺技术简单，直接将初始原料混合即可，不需要经过高能机械球磨和压片成型过程，提高了生产效率，节约了成本。

(3)本发明直接在普通烧结炉中，保护性气氛下，900～1500℃范围短时间内直接合成Ti₂SnC，使用设备简单，成本低廉，进而降低了粉末的制备成本，适合大规模生产。

(4)产物纯度高，在XRD图谱中无明显TiC等有害杂质相存在，只有微量的Sn残留。

(5)与其他制备方法制备出的板片状Ti₂SnC形貌不同，通过该技术制备出的Ti₂SnC具有三角锥状、花状以及蝴蝶结状，形貌变化多样并且可控，不仅仅局限单一板片状结构。

附图说明

图1是本发明无压烧结制备出的Ti₂SnC的X-衍射(XRD)图谱；

图2(a)、图2(b)、图2(c)分别是本发明无压烧结制备出的Ti₂SnC的扫描电镜(SEM)图片。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的描述：

实施方案一：

按照Ti∶Sn∶C＝2∶1∶1的摩尔比配料，称取Ti粉16.9克、Sn粉20.9克、石墨粉2.1克，放入塑料瓶中，以ZrO₂球为介质，在混粉机上混合1h，将混合后的粉末放入普通管式炉中，Ar气氛或真空保护，以10℃/min的升温速率升温至900℃，保温10min，即可制的高纯度Ti₂SnC粉体。

实施方案二：

按照Ti∶Sn∶C＝2∶1.1∶1的摩尔比配料，称取Ti粉40.1克、Sn粉54.7克、石墨粉5.3克，放入塑料瓶中，以ZrO₂球为介质，在混粉机上混合3h，将混合后的粉末放入普通管式炉中，Ar气氛或真空保护，以10℃/min的升温速率升温至1000℃，保温30min，即可制的高纯度Ti₂SnC粉体。

实施方案三：

按照Ti∶Sn∶C＝2∶1.2∶1的摩尔比配料，称取Ti粉16.9克、Sn粉25.3克、石墨粉2.1克，放入塑料瓶中，以ZrO₂球为介质，在混粉机上混合5h，将混合后的粉末放入普通管式炉中，Ar气氛或真空保护，以10℃/min的升温速率升温至1100℃，保温60min，即可制的高纯度Ti₂SnC粉体。

实施方案四：

按照Ti∶Sn∶C＝2∶1.1∶1的摩尔比配料，称取Ti粉40.1克、Sn粉54.7克、石墨粉5.3克，放入塑料瓶中，以ZrO₂球为介质，在混粉机上混合10h，将混合后的粉末放入普通管式炉中，Ar气氛或真空保护，以10℃/min的升温速率升温至1200℃，保温90min，即可制的高纯度Ti₂SnC粉体。

实施方案五：

按照Ti∶Sn∶C＝2∶1∶1的摩尔比配料，称取Ti粉16.9克、Sn粉20.9克、石墨粉2.1克，放入塑料瓶中，以ZrO₂球为介质，在混粉机上混合50h，将混合后的粉末放入普通管式炉中，Ar气氛或真空保护，以10℃/min的升温速率升温至1300℃，保温120min，即可制的高纯度Ti₂SnC粉体。

实施方案六：

按照Ti∶Sn∶C＝2∶1.1∶1的摩尔比配料，称取Ti粉40.1克、Sn粉54.7克、石墨粉5.3克，放入塑料瓶中，以ZrO₂球为介质，在混粉机上混合80h，将混合后的粉末放入普通管式炉中，Ar气氛或真空保护，以10℃/min的升温速率升温至1400℃，保温150min，即可制的高纯度Ti₂SnC粉体。

实施方案七：

按照Ti∶Sn∶C＝2∶1.2∶1的摩尔比配料，称取Ti粉16.9克、Sn粉25.3克、石墨粉2.1克，放入塑料瓶中，以ZrO₂球为介质，在混粉机上混合100h，将混合后的粉末放入普通管式炉中，Ar气氛或真空保护，以10℃/min的升温速率升温至1500℃，保温200min，即可制的高纯度Ti₂SnC粉体。

实施方案八：

按照Ti∶Sn∶C＝2∶1.1∶1的摩尔比配料，称取Ti粉40.1克、Sn粉54.7克、石墨粉5.3克，放入塑料瓶中，以ZrO₂球为介质，在混粉机上混合100h，将混合后的粉末放入普通管式炉中，Ar气氛或真空保护，以10℃/min的升温速率升温至1500℃，保温200min，即可制的高纯度Ti₂SnC粉体。

所制备的Ti₂SnC粉体的XRD图见附图1。由图可见，产物纯度高，在XRD结果中无明显TiC存在，只有微量Sn的存在，并不影响Ti₂SnC的导电导热性能。Ti₂SnC粉体的形貌如图2(a)(b)(c)所示，由图可见，Ti₂SnC颗粒为三种不同的形貌，(a)为三角锥形，(b)为蝴蝶结形，(c)为花形，颗粒尺寸在20～40μm范围内。

Claims

1.一种高纯Ti₂SnC粉体的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：

步骤2.将上述配好的粉料混合1～100小时；

2.根据权利要求1所述的一种高纯Ti₂SnC粉体的制备方法，其特征在于，所述的保护性气氛为Ar气氛。