CN1609250A - 致密钛硅化碳—二硼化钛复合块体材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是致密钛硅化碳－二硼化钛复合块体材料及其制备方法。该材料的原料组成及成分范围为：以Ti粉、Si粉、TiC粉、TiB2和铝粉为原料，五种原料的摩尔比是n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶(0.85～1.15)∶2∶(0.15～0.6)∶(0.04～0.12)。该材料制备包括以下步骤：按工艺要求称取Ti粉、Si粉、TiC粉、TiB2和铝粉，混合均匀后，置于石墨模具中，在热压烧结系统中的氨气环境下进行烧结。烧结步骤为：以60～180℃/min的升温速率升至1350～1450℃，保温30～120分钟，压力为20～80MPa。本发明的工艺简单，其产品性能优异。

Description

致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，特别是涉及一种致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料及其制备方法。
背景技术
钛硅化碳(Ti3SiC2)是上世纪九十年代才被发现的新型层状三元化合物。它兼具有金属和陶瓷的许多优点，如优异的导电、导热性，可加工性，良好的抗破坏能力，高熔点，高模量，高强度和低密度等。这是一种能广泛应用于电子信息、新能源、航空航天等高技术领域的新型结构/功能材料。但Ti3SiC2的制备困难一直限制了它的研究和应用。文献(1)以TiH2、Si和石墨为原料，在2000℃下进行化学反应合成了Ti3SiC2。文献(2，3)分别用SiCl4、TiCl4、CCl4、H2和TiCl4、SiCl4、CH4、H2为原料，用气相沉积法制备了Ti3SiC2薄膜。文献(4)以Ti、Si和碳黑为原料，通过自蔓延高温反应合成Ti3SiC2，反应产物中存在大量的杂质相。文献(5)以Ti、Si和碳黑为原料，用电弧熔化法和后退火处理制备Ti3SiC2块体材料，但反应产物杂质含量高，反应温度不易精确控制。文献(6)采用热等静压工艺，以Ti、SiC和石墨为原料，制备了致密的单相Ti3SiC2块体材料，但制备工艺相当复杂。文献(7)以Ti、Si和石墨为原料，并加入重量为4％的NaF作反应助剂，采用热压工艺制备了Ti3SiC2块体材料，产物中含有大量的TiC。文献(8)采用放电等离子烧结(SPS)新工艺，以Ti、Si和TiC为原料，得到了纯度达98％的Ti3SiC2块体材料。但Ti3SiC2的硬度较低(3～5GPa)，耐硝酸性能较差，极大地限制了其作为结构材料和功能材料使用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料及其制备方法。所制得的产品兼具钛硅化碳和二硼化钛两者的优点，从而克服现有技术中存在的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料，其原料组成及成分范围为：以Ti粉、Si粉、TiC粉、TiB2和铝粉为原料，五种原料的摩尔比是n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶(0.85～1.15)∶2∶(0.15～0.6)∶(0.04～0.12)。
致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料的制备方法，其步骤包括：
1)称取Ti粉、Si粉、TiC粉、TiB2和铝粉，五种原料的摩尔比为n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶(0.85～1.15)∶2∶(0.15～0.6)∶(0.04～0.12)。
2)将称取的原料粉末混合均匀后，置于石墨模具中，在热压烧结系统中的氩气环境下进行烧结。
3)烧结步骤为：以60～180℃/min的升温速率升至1350～1450℃，保温30～120分钟，施加的压力为20～80MPa。
二硼化钛(TiB2)是一种具有高熔点(2790℃)，高硬度(34GPa)，耐腐蚀、抗氧化的特点，同时具有良好的导电和导热性能，其在高温结构材料、耐磨、耐腐蚀以及电气材料中有着广泛的应用前景，更为重要的是它的晶体结构Ti3SiC2一样，均为六方层状结构，热膨胀系数相近，因此在Ti3SiC2中引入适量的TiB2颗粒将有助于改善Ti3SiC2材料的性能，获得兼具两者优点的复合材料。
本发明的实质是利用一种热压反应制备Ti3SiC2材料的基础上，添加不同体积比的TiB2颗粒。由于Al的熔点低，在较低温度下，Al会熔化并和Si一起形成的Al-Si液相合金，促进的反应合成，同时增加了Ti3SiC2-TiB2的致密度，由Archimedes法测得Ti3SiC2-TiB2块体材料的致密度达到99％。
本发明的创新之处在于掺加少量的铝抑制Ti-Si化合物的生成，同时原始粉料中以TiC取代元素单质粉Ti和C可以减少反应产物中TiC的含量。整个制备过程选用的原材料简单，充分利用了原位反应优点和热压烧结工艺的特点，合成性能优异的Ti3SiC2-TiB2块体材料。
附图说明
附图为热压工艺烧结Ti3SiC2/TiB2试样的X射线衍射图谱。对照粉末衍射标准联合委员会制定的标准JCPDS卡片，Ti3SiC2的标准卡片号为740310号，以及TiB2的标准卡片号70275号可以知道，合成的复合材料中只有Ti3SiC2和TiB2两种物质，没有其它的物质生成。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
本发明涉及一种致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料，其原料组成及成分范围为：以Ti粉、Si粉、TiC粉、TiB2和铝粉为原料，五种原料的摩尔比是n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶(0.85～1.15)∶2∶(0.15～0.6)∶(0.04～0.12)。
本发明制备致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料的方法是，包括以下步骤∶
1)称取Ti粉、Si粉、TiC粉、TiB2和铝粉，五种原料的摩尔比为n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶(0.85～1.15)∶2∶(0.15～0.6)∶(0.04～0.12)。
2)将称取的原料粉末混合均匀后，置于石墨模具中，在热压烧结系统中的氩气环境下进行烧结。
3)烧结步骤为：以60～180℃/min的升温速率升至1350～1450℃，保温30～120分钟，压力为20～80MPa。
实施例1
原料粉末按摩尔比为n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶0.85∶2∶0.15∶0.04∶混合均匀，放入石墨模具中，在热压烧结系统，氩气保护中进行烧结。升温速度为80℃/min，烧结温度为1100℃，压力为30MPa，保温60分钟。块体材料的致密度为99％，Ti3SiC2含量为90％。在INSTRON-1195万能力学实验机上测得：材料的抗压强度≥750MPa，三点弯曲强度σb≥470MPa，KIC≥8MPa·m1/2。
实施例2
原料粉末按摩尔比为n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶1.15∶2∶0.6∶0.12；混合均匀，放入石墨模具中，在放电等离子烧结的真空系统中进行烧结。升温速度为80℃/min，烧结温度为1250℃，压力为60MPa，保温120分钟。块体材料的致密度为99.5％，Ti3SiC2含量为88％。在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥750MPa，三点弯曲强度σb≥470MPa，KIC≥8MPa·m1/2。
实施例3
原料粉末按摩尔比为n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶1.0∶2∶0.4∶0.08；混合均匀，放入石墨模具中，在放电等离子烧结的真空系统中进行烧结。升温速度为80℃/min，烧结温度为1250℃，压力为60MPa，保温120分钟。块体材料的致密度为99.5％，Ti3SiC2含量为88％。在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥750MPa，三点弯曲强度σb≥470MPa，KIC≥8MPa·m1/2。
本专利参考文献：
[1]Jeitschko W，and Nowotny H.Die Kristallstructur von Ti3SiC2-Ein NeuerKomplxcarbid-Typ.Monatsh.Fur Chem.，1967，98：329-37
[2]Nickl J J，Schweitzer K K，Luxenberg P.Gasphasenabscheidung im SystemeTi-C-Si，J Less Common Metals，，1972，26：283
[3]Racault C，Langlais F，Bernard C.On the Chemical Vapor Peposition ofTi3SiC2 from TiCl4-SiCl4-CH4-H2 Gas Mixtures：Part II an experimental approach，J.Mater.Sci.，1994，29：5023
[4]Pampuch R，Lis J，Stobierski L，et al.Solid Combustion Synthesis of Ti3SiC2，J Eur Ceram Soc，1989，5：283
[5]Arunajatesan S，Carim A.Synthesis of Ti3SiC2，J.Amer.Cer.Soc.，1995，78：667
[6]Barsoum M W，El-Raghy T，Synthesis Characterization of a RemarkableCeramic-Ti3SiC2，J.Amer.Cer.Soc.，1996，79(7)：1953-1956
[7]Zhou Y C，Sun Z M and Yu B H.Microstructure of Ti3SiC2 prepared by thein-situ hot pressing/solid-liquid reaction process，Z.Metallkd.2000，91(11)：937-941
[8]Gao N F，Lib J T，Zhange D，Miyamoto Y.Rapid synthesis of dense Ti3SiC2by spark plasma sintering，J.Euro.Ceram.Soc.，2002，22：2365-2370

Claims (4)

1.一种致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料，其特征在于所述的材料，其原料组成及成分范围为：以Ti粉、Si粉、TiC粉、TiB2和铝粉为原料，五种原料的摩尔比是n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶(0.85～1.15)∶2∶(0.15～0.6)∶(0.04～0.12)。
2.一种致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)称取Ti粉、Si粉、TiC粉、TiB2和铝粉，五种原料的摩尔比为n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶(0.85～1.15)∶2∶(0.15～0.6)∶(0.04～0.12)，
2)将称取的原料粉末混合均匀后，置于石墨模具中，在热压烧结系统中的氩气环境下进行烧结，
3)烧结步骤为：以60～180℃/min的升温速率升至1350～1450℃，保温30～120分钟，压力为20～80MPa。
3.根据权利要求2所述的致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料的制备方法，其特征在于：五种原料的摩尔比n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶0.85∶2∶0.15∶0.04。
4.根据权利要求2所述的致密钛硅化碳-二硼化钛复合块体材料的制备方法，其特征在于：五种原料的摩尔比n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(TiB2)∶n(Al)＝1∶1.15∶2∶0.6∶0.12。
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