CN109231988B - 一种大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法,以TiH2粉、Al粉、C粉为原料,在高温高压条件下合成Ti3AlC2陶瓷材料,所述TiH2、Al、C的摩尔比为3:1:(1.2~1.8)。本发明的大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法由于在合成过程中,TiH2在高温高压作用下脱出氢气,生成气孔,使Ti3AlC2产生大量空位缺陷。同时在合成Ti3AlC2过程中,碳的含量偏离化学计量比,结构发生微变形,使Ti3AlC2产生大量非化学计量缺陷。因此,所得产品具有大量空位缺陷和非化学计量缺陷,活性高,既能与低浓度酸反应也能与碱反应,具有极大地应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷材料制备领域,特别是涉及一种大空位非计量比活性 Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法。
背景技术
MAX相材料是一种备受人们关注的一种新型的可加工陶瓷材料,由于兼具了金属材料和陶瓷材料各自的一些优良性能,因此被我们称为金属陶瓷材料。在MAX相材料中,M为过渡族的金属元素,A为主族元素,X为碳元素或者氮元素。而Ti3AlC2陶瓷材料是MAX中具有代表性的一种。
Ti3AlC2陶瓷材料集合了金属材料和陶瓷材料的优良性能,其中包含着抗氧化性、抗热震性、较高的弹性模量、较高的断裂韧性等。此外,Ti3AlC2陶瓷材料具有着良好的导电/导热性能,并且它的强度高、又耐氧化,是一种可以作为新一代的电刷和电极的新型材料。
朱丽慧等人采用机械合金化加上退火处理来制备Ti3AlC2粉体材料,原料为单质Ti、Al、C,并添加金属粉Al、Si、Ge中的一种作为添加剂来提高物相纯度,并以计量比来制备。但是该方法制备的Ti3AlC2粉体没有空位缺陷,而且产品活性也不高(中国专利CN200510110176.3)。王芬等人采用机械合金化以及真空热烧结的方法来制备Ti3AlC2陶瓷粉料。以 Ti:Al:TiC:Sn:Si=1:(1~1.3):2:(0.05~0.2):(0.05~0.15)的比例进行合成。以Sn和Si 粉作为合成助剂,以TiC作为C源,但是该方法同样不能制备出具有大量空位缺陷的Ti3AlC2(中国专利CN201310497696.9)。总之,目前制备的Ti3AlC2材料一般没有空位或者其他缺陷存在,使得Ti3AlC2材料活性较低,很难与低浓度酸或碱反应。此外,目前大多数方法很难得到高纯度的Ti3AlC2,产物中经常会伴有一些杂质相,如TiC、Ti3AlC等。
发明内容
基于此,有必要针对当前Ti3AlC2的制备过程中出现的杂质较多、没有缺陷、活性较低,产物性能无法提升等问题,提供一种大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法及其应用。
一种大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法,以TiH2粉、Al粉、 C粉为原料,在高温高压条件下合成Ti3AlC2陶瓷材料,所述TiH2、Al、C的摩尔比为3:1:(1.2~1.8)。
上述大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法,由于在合成过程中, TiH2在高温高压作用下脱出氢气,生成气孔,使Ti3AlC2产生大量空位缺陷。同时在合成Ti3AlC2过程中,碳的含量偏离化学计量比,结构发生微变形,使Ti3AlC2产生大量非化学计量缺陷。因此,所得产品具有大量空位缺陷和非化学计量缺陷,产品性能好。
在其中一个实施例中,在高温高压条件下合成Ti3AlC2陶瓷材料前将所述 TiH2粉、Al粉、C粉进行球磨处理。
在其中一个实施例中,所述球磨处理的球料比为10:1,球磨转速为400~500 r/min,球磨时间为8~12h。
在其中一个实施例中,先将球磨处理后的原料在50MPa的压力下预压成直径10mm、高15mm的圆柱体,再于高温高压条件下合成Ti3AlC2陶瓷材料。
在其中一个实施例中,所述在高温高压下合成Ti3AlC2陶瓷材料的条件为:在压力4~5GPa、温度1350~1450℃下保温30~60min,得到Ti3AlC2陶瓷材料。
上述大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料纯度高、杂质少,同时具有大量空位缺陷和非化学计量缺陷,产品活性高,具有较高的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的Ti3AlC2陶瓷材料的扫描电镜图;
图2为本发明实施例2得到的Ti3AlC2陶瓷材料的扫描电镜图;
图3为本发明实施例3得到的Ti3AlC2陶瓷材料的扫描电镜图;
图4为本发明实施例1得到的Ti3AlC2陶瓷材料经过5wt.%氢氟酸处理,得到产物的扫描电镜图;
图5为本发明实施例2得到的Ti3AlC2陶瓷材料经过10wt.%氢氧化钠处理,得到产物的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的制备方法如下:
(1)将高纯TiH2粉、Al粉、C粉按TiH2:Al:C=3:1:(1.2~1.8)的摩尔比称量配料,然后按10:1的球料比在400~500r/min的转速下高能球磨8~12h;
(2)将球磨好的原料在50MPa下预压成直径10mm、高15mm的圆柱体,再用六面顶压机在4~5GPa、1350~1450℃的条件下保温30~60min进行高温高压合成;
(3)保温完成后,冷却10min,然后缓慢卸压取出材料,得到大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
1、本发明的大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法工艺简单、耗时少,所得产品纯度高、杂质少;
2、本发明的大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法由于在合成过程中,TiH2在高温高压作用下脱出氢气,生成气孔,使Ti3AlC2产生大量空位缺陷;
3、本发明的大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法在合成 Ti3AlC2过程中,碳的含量偏离化学计量比,结构发生微变形,使Ti3AlC2产生大量非化学计量缺陷。
实施例1
将高纯TiH2粉、Al粉、C粉按摩尔比TiH2:Al:C=3:1:1.2进行称量,即TiH2粉14.94g,Al粉2.7g,C粉1.44g,然后按球料比10:1称取硬质合金球191g,将球磨罐中充入氩气,在400rpm转速下球磨8h;将球磨好的料在50MPa下预压成直径10mm、高15mm的圆柱体,用六面顶压机在4GPa、1350℃的条件下保温30min进行高压合成;保温完成后,冷却10min,然后缓慢卸压取出材料,得到大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料。
实施例2
将高纯TiH2粉、Al粉、C粉按摩尔比TiH2:Al:C=3:1:1.5进行称量,即TiH2粉14.94g,Al粉2.7g,C粉1.8g,然后按球料比10:1称取硬质合金球195g,将球磨罐中充入氩气,在450rpm转速下球磨10h;将球磨好的料在50MPa下预压成直径10mm、高15mm的圆柱体,用六面顶压机在4.5GPa、1400℃的条件下保温40min进行高压合成;保温完成后,冷却10min,然后缓慢卸压取出材料,得到大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料。
实施例3
将高纯TiH2粉、Al粉、C粉按摩尔比TiH2:Al:C=3:1:1.8进行称量,即TiH2粉14.94g,Al粉2.7g,C粉2.16g,然后按球料比10:1称取硬质合金球198g,将球磨罐中充入氩气,在500rpm转速下球磨12h;将球磨好的料在50MPa下预压成直径10mm、高15mm的圆柱体,用六面顶压机在5GPa、1450℃的条件下保温60min进行高压合成;保温完成后,冷却10min,然后缓慢卸压取出材料,得到大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (1)
1.一种大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法,其特征在于,以TiH2粉、Al粉、C粉为原料,在高温高压条件下合成Ti3AlC2陶瓷材料,具体制备方法如下:
(1)将高纯TiH2粉、Al粉、C粉按TiH2:Al:C=3:1:(1.2~1.5)的摩尔比称量配料,然后按10:1的球料比在400~500 r/min的转速下高能球磨8~12 h;
(2)将球磨好的原料在50 MPa下预压成直径10 mm、高15 mm的圆柱体,再用六面顶压机在4~5 GPa、1350~1450℃的条件下保温30~60 min进行高温高压合成;
(3)保温完成后,冷却10 min,然后缓慢卸压取出材料,得到大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料。
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