CN1232476C - 一种制备钛硅碳陶瓷粉的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备钛硅碳陶瓷粉的方法,其具体步骤:首先,将钛(Ti)、硅(Si)、石墨粉(C)三种粉末按摩尔配比3∶(1~2)∶(1.5~2)配料,采用不锈钢球,球与料的重量比10∶1~100∶1;将球和料放入球磨罐,球磨罐抽真空,转速为150~350r/min;室温下,经过1~4小时的球磨,合成钛硅碳为主相的陶瓷粉。其次,将合成的细粉经氢氟酸溶液酸洗0.5~2小时,去掉硅化物;粉料再经蒸馏水冲洗、烘干,在400~500℃内氧化处理1~4小时,去掉碳化钛;再经硫酸铵和硫酸的混合溶液处理去掉氧化物,水洗,烘干,获得钛硅碳陶瓷粉末。该方法工艺简单、成本低、制备的钛硅碳陶瓷粉末纯度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷粉的制备方法,特别是一种制备钛硅碳Ti3SiC2陶瓷粉末的方法。
背景技术
近年来,三元层状化合物Ti3SiC2作为一种新型材料成为人们研究的热点。Ti3SiC2的理论密度为4.53g/cm3。这种材料结合了金属和陶瓷的许多优良性能,如象金属一样是优良的电和热导体,其热导率和电导率分别为43W/(m.K)和4.5×106Ω-1.m-1、相对较“软”,维氏硬度为4~7GPa、易加工,对热震不敏感,经过ΔT=1400℃的热震,材料的残余强度仍在300MPa,1200℃以上表现出高温塑性行为;具有陶瓷的抗氧化性,在1100℃仍具有较好的抗氧化性,特别是高温保持高强度。以上性能表明,这种材料将是高温结构部件的优选材料,如应用于涡轮机的叶片和定子;也是熔化金属用的电极材料;Ti3SiC2陶瓷可以象石墨一样容易加工,可代替云母玻璃陶瓷;具有自润滑性,可用作轴承材料。这种集可加工性、高温强度和塑性,以及对热震不敏感各种性能于一体的材料是不多见的。
目前主要是采用钛(Ti)/硅(Si)/石墨(C)或碳化钛(TiC)/硅(Si)/石墨(C)或钛(Ti)/碳化硅(SiC)/石墨(C)等几种混合粉,利用常压、热压、热等静压、自蔓延高温反应、热压结合固液反应、等离子放电等烧结工艺制备Ti3SiC2致密的块体。如美国专利US5942455和US6461989报道采用Ti/SiC/C混合粉,在1600℃温度,42MPa压力,经过4~5小时热压;或在1600℃温度,60MPa压力,经过4小时热等静压合成了Ti3SiC2致密的块体。Gao等人对TiC/Si/C混合粉采用等离子放电工艺,在3000A的电流下,于1125-1400℃温度范围,20-60MPa压力范围合成了Ti3SiC2块体材料(N.F.Gao,J.T.Lib,D.Zhang,Y.Miyamotoa.Rapid synthesis of dense Ti3SiC2 by spark plasma sintering.J Eur.Ceram.Soc.2002,22:2365-2370.)。Khoptia等人采用自蔓延高温反应合成了Ti3SiC2材料(Y.Khoptiar,I.Gotman.Synthesis of dense Ti3SiC2-based ceramics by thermal explosion under pressure.J Eur.Ceram.Soc.2003,23:47-53)。在陶瓷工业中,高纯度的粉体材料需求很大,如果要通过上述方法获得纯度较高的Ti3SiC2粉体,需对上述合成的块体材料先进行破碎、研磨,再经后期的酸洗和氧化处理工艺除去TiC等杂质相,工艺比较繁锁、成本高。同时采用上述烧结工艺时,烧结温度在1300-1600℃范围,耗能高,费时长,制备工艺比较麻烦,相应地提高了制备成本,而且得到的高纯度Ti3SiC2粉末数量较少,仅可供实验用。此外,高温固相反应法制备的Ti3SiC2烧结块需要重新粉粹得到粉体,形成的粉体粒径大且无法控制,粒径形状不一,粉体的活性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题:常温下合成纯度高、工艺成本低、可批量生产的钛硅碳(Ti3SiC2)陶瓷粉体。可以用Ti3SiC2粉直接制备均质材料或作为弥散增强剂制备复合材料。
本发明的技术方案:
该方法是采用行星式高能球磨机,对钛(Ti),硅(Si),石墨(C)三种粉末按不同摩尔比进行高能球磨。球磨过程中,通过机械诱导Ti-Si-C系统中自蔓延反应的发生,最终合成Ti3SiC2。合成粉末中含有的TiC及硅化物杂质相,可通过酸洗和氧化去掉。通过机械诱导自蔓延反应得到的Ti3SiC2颗粒尺寸在微米或亚微米级。
制备钛硅碳陶瓷粉的方法的具体步骤:
(1)将钛(Ti)、硅(Si)、石墨粉(C)三种粉末按摩尔配比3∶(1~2)∶(1.5~2)配料,研磨球采用不锈钢或硬质合金,球与料按重量比10∶1~100∶1;将上述的球和料放入球磨罐,球磨罐抽真空,球磨机转速为150~350r/min;在室温下,经过1~4小时的球磨,合成钛硅碳(Ti3SiC2)为主相的陶瓷粉。
(2)杂质相的去除:将步骤1中合成的细粉酸洗0.5~2小时,酸洗液的体积配比为氢氟酸∶水=1∶1,去掉硅化物,酸洗后的粉末经蒸馏水冲洗后,烘干,在400~500℃范围内进行氧化处理1~4小时,去掉碳化钛(TiC),再经硫酸铵和硫酸的混合溶液处理以去掉氧化物,水洗,烘干,获得钛硅碳(Ti3SiC2)陶瓷粉末。
本发明的有益效果:制备的钛硅碳(Ti3SiC2)陶瓷粉末纯度高、工艺简单、成本低,体现在以下几个方面:
①球磨反应在室温下进行,球磨设备简单,容易操作。
②获得的Ti3SiC2粉末,其颗粒尺寸可达到微米或纳亚微米。颗粒具有较大的比表面积,有较高的烧结活性。可以用Ti3SiC2粉直接制备均质材料或作为弥散增强剂制备复合材料。
③反应球磨时间短,提高了产品的生产率,降低了由研磨罐和研磨球引入杂质的机会。
④不需要高温烧结炉,节约了能耗,制备时间短,生产工艺简单,投资少,可批量生产Ti3SiC2粉末超细粉。
附图说明
图1Ti-Si-C粉球磨1.5h后生成的Ti3SiC2颗粒的(a)外观形貌;(b)颗粒的断口扫描电子显微镜(SEM)照片
图2经酸洗和氧化处理后的高纯Ti3SiC2粉的XRD分析图谱
具体实施方式
将平均粒径为48μm,纯度为99.14%的钛粉,平均粒径为25μm,纯度为99.95%的硅粉和平均粒径为45μm,纯度为99.8%的石墨粉三种粉末,按3∶1∶2的摩尔配比装入研磨罐中。每个不锈钢罐的体积为500ml,研磨罐抽真空至0.1Pa。所用研磨球的材质为不锈钢,球与料的重量比为20∶1,球磨机转速为250r/min,经1.5h球磨后形成大量尺寸在5mm左右的小颗粒,这些小颗粒主要由大量棒状或片状的Ti3SiC2组成,另外还含有细小的白色球形TiC颗粒以及硅化物,见说明书附图中的图1(a)和(b)。把这些小颗粒在球磨机中球磨1~2h,取出粉料,经氢氟酸比水比为1∶1,酸洗0.5~1h,主要是为了去掉硅化物;然后在氧化炉中于450℃低温进行氧化处理2h,使TiC全部氧化掉;氧化后的粉末放入盛有(NH4)2SO4+H2SO4的混合液的烧杯中处理1h,然后过滤并用蒸馏水冲洗粉末。所得到的粉末在烘箱中烘干,获得纯度高的Ti3SiC2粉。得到的Ti3SiC2粉末经X射线衍射分析图谱,见图2可知,谱图中没有其它杂质的存在,只有单一相Ti3SiC2的衍射峰,说明以上工艺得到的Ti3SiC2陶瓷粉纯度高。
Claims (1)
1.一种制备钛硅碳陶瓷粉的方法,该方法的步骤:
步骤(1),将钛、硅、石墨粉三种粉末按摩尔配比3∶(1~2)∶(1.5~2)配料,研磨球采用不锈钢或硬质合金,球与料按重量比10∶1~100∶1;将上述的球和料放入球磨罐,球磨罐抽真空,球磨机转速为150~350r/min;在室温下,经过1~4小时的球磨,合成钛硅碳Ti3SiC2为主相的陶瓷粉;
步骤(2),杂质相的去除:将步骤(1)中合成的细粉经氢氟酸溶液酸洗0.5~2小时,酸洗液的体积配比为氢氟酸∶水=1∶1,去掉硅化物;酸洗后的粉末经蒸馏水冲洗后,烘干,在400~500℃范围内进行氧化处理1~4小时,去掉碳化钛;再经硫酸铵和硫酸的混合溶液处理以去掉氧化物,水洗,烘干,获得钛硅碳Ti3SiC2陶瓷粉末。
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