CN1778767A - 在真空状态下制备高纯度钛硅碳陶瓷粉体的方法 - Google Patents
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Abstract
在真空状态下制备高纯度钛硅碳陶瓷粉体的方法，属于高性能陶瓷材料技术领域。其特征在于：以TiC粉、Ti粉、Si粉为原料，按照摩尔比TiC∶Ti∶Si＝2∶(1～1.3)∶(1.1～1.5)的比例配料，球磨混合，烘干过筛后，放入氧化铝坩埚中，置于真空反应炉，预抽真空至5～20Pa，以不大于50℃/分钟的升温速度升温至1300～1400℃，在1300～1400℃范围内真空下保温1～2小时，自然冷却至室温，得到Ti3SiC2相含量大于97％的钛硅碳(Ti3SiC2)陶瓷粉体。该方法工艺简单，成本较低，制备钛硅碳(Ti3SiC2)粉体纯度高，适合规模化工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛硅碳(Ti3SiC2)陶瓷粉体的制备方法，属于高性能陶瓷材料技术领域。
背景技术
钛硅碳(Ti3SiC2)是一种具有层状结构的三元碳化物，这种材料结合了金属材料和高性能陶瓷材料的许多优良特性，近年来一直是人们研究的热点。钛硅碳(Ti3SiC2)材料拥有像金属一样的优良的导电和导热性能；相对较软，常温下有良好的可加工性；高温下具有塑性：良好的抗热震性能和抗氧化性；特殊的层状结构使其拥有自润滑性能。特殊的性能使这种新型陶瓷材料具有优秀的应用前景。
如何利用简易、低廉的方法获得高纯度量的钛硅碳(Ti3SiC2)材料一直是这种材料的研究热点。目前钛硅碳(Ti3SiC2)的制备方法主要有自蔓延反应法、热压原位合成法、热等静压法、SPS合成法等，但仍无法完全解决提高Ti3SiC2纯度的问题，合成出的钛硅碳(Ti3SiC2)材料中仍含有TiC、SiC、TiSi2等物质。M.W.Barsoum与T.El-Raghy以Ti粉、C粉、SiC粉为原料，利用热压合成法，在1600℃Ar气气氛下，热压压力40MPa，并保温4小时，得到了Ti3SiC2体积分数大于98％的块体材料。但是，这种工艺较为复杂，制备成本较高。另外，热压合成法也不试用于制备各种形状复杂、较大尺寸的材料，也不适合制备各种含钛硅碳(Ti3SiC2)的复合材料。
随着钛硅碳陶瓷及其复合材料的研究开发的不断深入和应用的迅速发展，市场对高品质陶瓷粉体需求的日益增大也促进了高纯度钛硅碳(Ti3SiC2)粉体的合成技术的不断发展。中国发明专利申请公开号CN1245155A提出了“一种钛碳化硅粉末的制备方法”，以Si、Ti和石墨粉为原料，添加2～10wt％NaF或AlF3·NaF为合成助剂，在惰性气氛下1200～1300℃保温1～4小时，最后所得反应产物中Ti3SiC2的含量为93～95％，粉体中仍含有各种杂质，并有较多NaF或AlF3·NaF以各种形式的残留在粉末中。中国发明专利申请公开号CN1594210A提出的“一种制备钛硅碳陶瓷粉的方法”，以Ti、Si、C三种粉末按摩尔配比3∶(1～2)∶(1.5～2)混合并在真空下球磨，得到的粉体经过酸洗、水洗、氧化等各种后续处理工艺得到较纯的Ti3SiC2粉体，工艺步骤复杂，对工艺的要求较高，难以实现工业化连续、高效制备陶瓷粉体。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在真空状态下制备高纯度钛硅碳(Ti3SiC2)粉体的方法，该制备工艺简单、生产成本较低、适合规模化工业生产钛硅碳(Ti3SiC2)粉体。
本发明提出的在真空状态下制备高纯度钛硅碳陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述方法以碳化钛粉、钛粉、硅粉为原料，其摩尔比配比为：碳化钛粉∶钛粉∶硅粉＝2∶1～1.3∶1.1～1.5；利用真空合成技术合成制备高纯度钛硅碳粉体，所述粉体中钛硅碳相的体积分数大于97％，TiC等杂质含量低于3％。
在上述制备方法中，所述方法包括以下步骤：
(1)将碳化钛粉、钛粉、硅粉按比例配料；
(2)将上述配好的料球磨混合，蒸发烘干后，研磨过100目筛；
(3)将干燥过筛后的混合粉料，放入真空反应炉中，预抽真空至5～20Pa，按照升温速度不大于50℃/分钟升温至1300～1400℃，在1300～1400℃温度范围真空下保温1～2小时，然后自然冷却至室温，研磨筛细后，得到高纯度钛硅碳Ti3SiC2粉体。
本发明提出的制备高纯度钛硅碳(Ti3SiC2)粉体的方法，其优点具体体现在以下几个方面：
1、制备过程中无需添加各种反应助剂，保证了反应产物Ti3SiC2相的纯度和钛硅碳(Ti3SiC2)材料的优异性能不受影响。
2、利用真空高温反应技术制备高纯钛硅碳(Ti3SiC2)粉体，真空在材料合成过程中有以下作用：一、净化和活化反应物颗粒表面，促进了颗粒间蒸发-凝聚传质过程，加速了固相反应的顺利进行；二、真空环境促进了TiC参与反应进一步生成Ti3SiC2，从而降低了产物中TiC相的含量，以达到制备高纯钛硅碳(Ti3SiC2)粉体的目的。
3、一次合成产物纯度高，钛硅碳(Ti3SiC2)含量大于体积分数97％，杂质含量少，无需后处理工艺进一步提纯，工艺简单，节省了工序和能耗物耗，提高了生产效率，适于规模化生产。
附图说明
图1本发明反应产物粉体X射线衍射图谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
本发明制备钛硅碳(Ti3SiC2)粉体的方法，包括以下各步骤：
(1)将原料TiC粉、Ti粉、Si粉按照摩尔比2∶(1～1.3)∶(1.1～1.5)的比例配料；
(2)将上述配料以无水乙醇为研磨介质，加入玛瑙球或硬质合金磨球，球磨24小时，蒸发烘干后，研磨过筛；
(3)将干燥过筛后的混合粉料放入氧化铝坩锅，置于真空反应炉中，预抽真空至5～20Pa，按照升温速度不大于50℃/分钟升温至1300～1400℃，在1300～1400℃温度范围真空下保温1～2小时，然后自然冷却至室温，研磨筛细后，得到所要求的钛硅碳(Ti3SiC2)粉体。
实施例1
称取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉16.78克，加入90ml无水乙醇作为球磨介质，并加入250g玛瑙磨球，球磨24小时。将球磨后混料蒸发、烘干，研磨破碎后过100目筛，放入氧化铝坩埚中加盖，将坩埚连同混合粉体放入真空反应炉中，预抽真空至15Pa，以40℃/分钟的升温速率升温至1350℃，保温1小时，随炉自然冷却至室温，将反应生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量98.2％(体积百分比)的钛硅碳(Ti3SiC2)粉体。所得粉体的XRD图谱如附图图1，可以看出基本只有Ti3SiC2相的衍射峰。
实施例2
称取TiC粉53.25克、Ti粉24.65克、Si粉15.43克，加入90ml无水乙醇作为球磨介质，并加入250g玛瑙磨球，球磨24小时。将球磨后混料蒸发、烘干，研磨破碎后过100目筛，放入氧化铝坩埚中加盖，将坩埚连同混合粉体放入真空反应炉中，预抽真空至15Pa，以40℃/分钟的升温速率升温至1300℃，保温2小时，随炉自然冷却至室温，将反应生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.7％(体积百分比)的钛硅碳(Ti3SiC2)粉体。
实施例3
称取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉16.18克，加入90ml无水乙醇作为球磨介质，并加入250g玛瑙磨球，球磨24小时。将球磨后混料蒸发、烘干，研磨破碎后过100目筛，放入氧化铝坩埚中加盖，将坩埚连同混合粉体放入真空反应炉中，预抽真空至20Pa，以40℃/分钟的升温速率升温至1350℃，保温2小时，随炉自然冷却至室温，将反应生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.4％(体积百分比)的钛硅碳(Ti3SiC2)粉体。
实施例4
称取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉16.78克，加入90ml无水乙醇作为球磨介质，并加入250g玛瑙磨球，球磨24小时。将球磨后混料蒸发、烘干，研磨破碎后过100目筛，放入氧化铝坩埚中加盖，将坩埚连同混合粉体放入真空反应炉中，预抽真空至20Pa，以40℃/分钟的升温速率升温至1400℃，保温1小时，随炉自然冷却至室温，将反应生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.2％(体积百分比)的钛硅碳(Ti3SiC2)粉体。
实施例5
称取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉17.24克，加入90ml无水乙醇作为球磨介质，并加入250g玛瑙磨球，球磨24小时。将球磨后混料蒸发、烘干，研磨破碎后过100目筛，放入氧化铝坩埚中加盖，将坩埚连同混合粉体放入真空反应炉中，预抽真空至5Pa，以20℃/分钟的升温速率升温至1300℃，保温2小时，随炉自然冷却至室温，将反应生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量98.6％(体积百分比)的钛硅碳(Ti3SiC2)粉体。
实施例6
称取TiC粉53.25克、Ti粉24.65克、Si粉15.43克，加入90ml无水乙醇作为球磨介质，并加入250g玛瑙磨球，球磨24小时。将球磨后混料蒸发、烘干，研磨破碎后过100目筛，放入氧化铝坩埚中加盖，将坩埚连同混合粉体放入真空反应炉中，预抽真空至5Pa，以20℃/分钟的升温速率升温至1300℃，保温2小时，随炉自然冷却至室温，将反应生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.5％(体积百分比)的钛硅碳(Ti3SiC2)粉体。
Claims (2)
1、在真空状态下制备高纯度钛硅碳陶瓷粉体的方法，其特征在于：所述方法以碳化钛粉、钛粉、硅粉为原料，其摩尔比配比为：碳化钛粉∶钛粉∶硅粉＝2∶1～1.3∶1.1～1.5；利用真空合成技术合成制备高纯度钛硅碳粉体，所述粉体中钛硅碳相的体积分数大于97％，TiC等杂质含量低于3％。
2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)将碳化钛粉、钛粉、硅粉按比例配料；
(2)将上述配好的料球磨混合，蒸发烘干后，研磨过100目筛；
(3)将干燥过筛后的混合粉料，放入真空反应炉中，预抽真空至5～20Pa，按照升温速度不大于50℃/分钟升温至1300～1400℃，在1300～1400℃温度范围真空下保温1～2小时，然后自然冷却至室温，研磨筛细后，得到高纯度钛硅碳Ti3SiC2粉体。
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