CN109231988B - 一种大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

一种大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法 Download PDF

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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

一种大空位非计量比活性Ti3AlC2陶瓷材料的制备方法
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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