CN1654425A - 原位热压合成致密Ti3SiC2－Al2O3复合块体材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以铝为助剂，原位热压合成致密Ti₃SiC₂－Al₂O₃复合块体材料的方法。该方法以Ti、TiC、Si、TiO₂、Al为原料，将此五种原料按摩尔比Ti∶TiC∶Si∶TiO₂∶Al＝0.38～0.4∶2∶1∶0.5～0.6∶0.93～1.03混合均匀，装入石墨模具后，置于热压烧结炉内，在氩气环境下进行热压烧结，以20－60℃/min的升温速率升至1350～1450℃，在20～80MPa的轴向压力下保温60～120分钟即制得致密Ti₃SiC₂－Al₂O₃复合块体材料。

Description

原位热压合成致密Ti3SiC2-Al2O3复合块体材料的方法

技术领域

本发明涉及陶瓷碳化硅钛(Ti₃SiC₂)-三氧化二铝(Al₂O₃)材料的制备方法，具体为一种以铝热反应原位热压合成致密碳化硅钛-三氧化二铝复合块体材料的方法。

背景技术

碳化硅钛(Ti₃SiC₂)是一种优秀的高温结构和功能材料，它具有像金属一样的导电性、导热性、高温塑性和可加工性，又具有像陶瓷一样的高强度、低密度、良好的高温稳定性和高温抗氧化性等特点。Jeitschko W，and Nowotny H.以TiH₂、Si和石墨为原料，在2000℃下进行化学反应合成了Ti₃SiC₂。Nickl J J，SchweitzerK K，Luxenberg P和Racault C，Langlais F，Bernard C..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。PampuchR，Lis J，Stobierski L，et al.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。Arunajatesan S，Carim A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。Barsoum M W，El-Raghy T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。Zhou Y C，Sun ZM and Yu B H.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。Gao N F，Lib J T，Zhange D，Miyamoto Y.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，但是在常温下Ti₃SiC₂块的显微硬度约为4Gpa，使其应用受到限制。

Al₂O₃具有较高的硬度，强度及熔点，对于Ti₃SiC₂材料是一种较好的增强相，因此在Ti₃SiC₂中引入Al₂O₃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。现有的制备Ti₃SiC₂-Al₂O₃复合材料的方法都是采用外掺Al₂O₃颗粒粉末的方法，王红洁，金志浩，宫本钦生采用放电等离子(SPS)外掺Al₂O₃粉成功制备了Ti₃SiC₂-Al₂O₃复合材料，但是烧结产物由于烧结温度过高导致Al₂O₃的团聚和部分烧结，对材料的力学性能有很大的影响而且随着Al₂O₃粉的体积分数的增加，烧结产物中Ti₃SiC₂的相对含量下降，这主要是由于Al₂O₃存在于晶界，抑制了Ti、Si和TiC的化学反应，对材料的各项性能都有很大的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过原位热压合成致密Ti₃SiC₂-Al₂O₃块体材料的方法。

实现发明目的的技术方案是：一种原位热压合成致密Ti₃SiC₂-Al₂O₃复合块体材料的方法，其特征在于：以Ti粉，TiC粉，Si粉，TiO₂和Al粉为原料，将该五种原料按摩尔比为Ti∶TiC∶Si∶TiO₂∶Al＝0.38～0.4∶2∶1∶0.5～0.6∶0.93～1.03混合均匀，装入石墨模具后，置于热压烧结炉内，在氩气环境下进行热压烧结，以20-60℃/min的升温速率升至1350～1450℃，在20～80MPa的轴向压力下保温60～120分钟。

本发明中所用原料均为市购试剂品。

本发明的实质是利用一种原位反应制备Ti₃SiC₂-Al₂O₃材料。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，Ti₃SiC₂-Al₂O₃材料中Al₂O₃由TiO₂和Al通过铝热反应原位生成，由Archimedes法测得Ti₃SiC₂-Al₂O₃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，TiC取代元素单质粉Ti和C可以减少反应产物中TiC的含量，更为重要的是利用铝热反应原位合成的Ti₃SiC₂-Al₂O₃复合材料结构致密，无界面污染。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-Al₂O₃块体材料。

附图说明。

图1为本发明反应产物的X-射线衍射图谱。

具体实施方式

下面通过实施例详述本发明

实施例1

将原料粉末按摩尔比为Ti∶TiC∶Si∶TiO₂∶Al＝0.38∶2∶1∶05∶0.93混合均匀，放入石墨模具中，在热压烧结炉内，氩气保护中进行烧结。升温速度为20℃/min，烧结温度为1350℃，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σ_b≥470MPa，K_IC≥5MPa·m^1/2。

实施例2

将原料粉末按摩尔比为Ti∶TiC∶Si∶TiO₂∶Al＝0.4∶2∶1∶0.6∶1.03混合均匀，放入石墨模具中，在热压烧结炉内，氩气保护中进行烧结。升温速度为20℃/min，烧结温度为1450℃，压力为30MPa，保温120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σ_b≥470MPa，K_IC≥5MPa·m^1/2。

Claims (1)

1.一种原位热压合成致密Ti₃SiC₂-Al₂O₃复合块体材料的方法，其特征在于：以Ti粉，TiC粉，Si粉，TiO₂和Al粉为原料，将该五种原料按摩尔比为Ti∶TiC∶Si∶TiO₂∶Al＝0.38～0.4∶2∶1∶0.5～0.6∶0.93～1.03混合均匀，装入石墨模具后，置于热压烧结炉内，在氩气环境下进行热压烧结，以20-60℃/min的升温速率升至1350～1450℃，在20～80MPa的轴向压力下保温60～120分钟。

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