原位熱壓工藝合成緻密鈦矽化碳－二硼化鈦複合塊體材料的製作方法

2023-05-30 06:43:56

專利名稱：原位熱壓工藝合成緻密鈦矽化碳－二硼化鈦複合塊體材料的製作方法
技術領域：
本發明涉及新型結構材料領域，特別是涉及一種原位熱壓工藝合成緻密鈦矽化碳-二硼化鈦複合塊體材料。
背景技術：
近年來，國內外對陶瓷-金屬複合材料的研究雖然十分活躍，但普通陶瓷(如TiC，Al2O3等)引入金屬中，往往由於兩者結構、物理性能及化學鍵特性相差較大，很難形成理想的相界面，而且容易造成脆性。
碳化矽(Ti3SiC2)陶瓷是Ti-Si-C三元系中化學計量化合物，是一種優秀的高溫結構/功能材料，它具有像金屬一樣的導電性、導熱性、高溫塑性和可加工性，又具有像陶瓷一樣的高強度、低密度、良好的高溫穩定性和高溫抗氧化性等特點。
但Ti3SiC2的硬度較低(3～5GPa)，耐硝酸性能較差，極大地限制了其作為結構材料和功能材料使用範圍。目前研究的重點是關於高純、單相、塊狀緻密的Ti3SiC2陶瓷的製備[文獻(1～6)]，而有關提高此類材料硬度及耐磨性以及耐腐蝕性的報導很少，文獻(7～9)報導分別引入BN、Al2O3以及SiC來改善其性能。
二硼化鈦(TiB2)是一種具有高熔點(2790℃)，高硬度(34GPa)，耐腐蝕、抗氧化的特點，同時具有良好的導電和導熱性能，其在高溫結構材料、耐磨、耐腐蝕以及電氣材料中有著廣泛的應用前景，更為重要的是它的晶體結構Ti3SiC2一樣，均為六方層狀結構，熱膨脹係數相近，因此在Ti3SiC2中引入適量的TiB2顆粒將有助於改善Ti3SiC2材料的性能，獲得兼具兩者優點的複合材料。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種原位熱壓工藝合成緻密鈦矽化碳-二硼化鈦複合塊體材料。所製得的產品兼具鈦矽化碳和二硼化鈦兩者的優點，從而克服現有技術中存在的問題。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是緻密鈦矽化碳-二硼化鈦複合塊體材料，其原料組成及成分範圍為以Ti粉、Si粉、TiC粉、B4C和鋁粉為原料；五種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(B4C)∶n(Al)＝1∶(0.5～1.2)∶2∶(0.05～0.5)∶(0.06～0.18)。
緻密鈦矽化碳-二硼化鈦複合塊體材料的原位熱壓合成工藝，其步驟包括1)稱取Ti粉、Si粉、TiC粉、B4C和鋁粉，五種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(B4C)∶n(Al)＝1∶(0.5～1.2)∶2∶(0.05～0.5)∶(0.06～0.18)。
2)將稱取的原料粉末混合均勻後，置於石墨模具中，在熱壓燒結系統氬氣保護氣氛中進行燒結。
3)燒結步驟為以60～180℃/min的升溫速率升至1200～1500℃，保溫30～120分鐘，壓力為20～80MPa。
本發明的實質是利用一種原位反應製備Ti3SiC2-TiB2材料，其基本的原理是利用BC4在高溫下與鈦反應原位生成TiB2和TiC，同時，由於Al的熔點低，在較低溫度下，Al會熔化並和Si一起形成的Al-Si液相合金，鈦粉和矽粉將同生成的TiC反應合成Ti3SiC2，從而得到Ti3SiC2-TiB2複合塊體材料。由Archimedes法測得Ti3SiC2-TiB2塊體材料的緻密度達到99％。
本發明的創新之處在於原始粉料中以價格相對低的B4C原位合成價格較貴TiB2，同時，摻加少量的鋁抑制Ti-Si化合物的生成，能夠利用簡單的熱壓工藝合成Ti3SiC2-TiB2複合材料，更為重要的是原位合成Ti3SiC2-TiB2複合材料結構緻密，無界面汙染，性能極大地改善。整個製備過程選用的原材料簡單，充分利用了原位反應優點和熱壓燒結工藝的特點。


附圖為原位熱壓工藝燒結Ti3SiC2/TiB2試樣的X射線衍射圖譜。對照粉末衍射標準聯合委員會制定的標準JCPDS卡片，Ti3SiC2的標準卡片號為740310號，以及TiB2的標準卡片號70275號可以判斷，合成的複合材料中只有Ti3SiC2和TiB2兩種物質，沒有其它的物質生成。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明。
本發明涉及一種緻密鈦矽化碳-二硼化鈦複合塊體材料，其原料組成及成分範圍為以Ti粉、Si粉、TiC粉、B4C和鋁粉為原料，五種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(B4C)∶n(Al)＝1∶(0.5～1.2)∶2∶(0.05～0.5)∶(0.06～0.18)。
本發明製備緻密鈦矽化碳-二硼化鈦複合塊體材料的方法是，包括以下步驟1)稱取Ti粉、Si粉、TiC粉、B4C粉和鋁粉，五種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(B4C)∶n(Al)＝1∶(0.5～1.2)∶2∶(0.05～0.5)∶(0.06～0.18)。
2)將稱取的原料粉末混合均勻後，置於石墨模具中，在熱壓燒結系統中的氬氣環境下進行燒結。
3)燒結步驟為以60～180℃/min的升溫速率升至1200～1500℃，保溫30～120分鐘，壓力為20～80MPa。
實施例1原料粉末按摩爾比為n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(B4C)∶n(Al)＝1∶0.5∶2∶0.05∶0.06；混合均勻，放入石墨模具中，在熱壓燒結系統，氬氣保護中進行燒結。升溫速度為80℃/min，燒結溫度為1200℃，壓力為80MPa，保溫60分鐘。塊體材料的緻密度為99％，Ti3SiC2含量為90％。在INSTRON-1195萬能力學實驗機上測得，材料的抗壓強度≥900MPa，三點彎曲強度σb≥500MPa，KIC≥9MPa·m1/2。
實施例2原料粉末按摩爾比為n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(B4C)∶n(Al)＝1∶1.2∶2∶0.5∶0.18；混合均勻，放入石墨模具中，在放電等離子燒結的真空系統中進行燒結。升溫速度為80℃/min，燒結溫度為1250℃，壓力為60MPa，保溫120分鐘。塊體材料的緻密度為99.5％，Ti3SiC2含量為88％。在INSTRON-1195萬能力學實驗機上測得，材料的抗壓強度≥900MPa，三點彎曲強度σb≥500MPa，KIC≥9MPa·m1/2。
實施例3原料粉末按摩爾比為n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(B4C)∶n(Al)＝1∶0.85∶2∶0.275∶0.12；混合均勻，放入石墨模具中，在放電等離子燒結的真空系統中進行燒結。升溫速度為80℃/min，燒結溫度為1500℃，壓力為20MPa，保溫120分鐘。塊體材料的緻密度為99.5％，Ti3SiC2含量為88％。在INSTRON-1195萬能力學實驗機上測得，材料的抗壓強度≥900MPa，三點彎曲強度σb≥500MPa，KIC≥9MPa·m1/2。
本專利參考文獻[1]Jeitschko W，and Nowotny H.Die Kristallstructur von Ti3SiC2-Ein NeuerKomplxcarbid-Typ.Monatsh.Fur Chem.，1967，98329-37[2]Racault C，Langlais F，Bernard C.On the Chemical Vapor Deposition ofTi3SiC2from TiCl4-SiCl4-CH4-H2Gas MixturesPart II an experimental approach，J.Mater.Sci.，1994，295023[3]Arunajatesan S，Carim A.Synthesis of Ti3SiC2，J.Amer.Cer.Soc.，1995，78667[4]Barsoum M W，El-Raghy T，Synthesis Characterization of a RemarkableCeramic-Ti3SiC2，J.Amer.Cer.Soc.，1996，79(7)1953-1956[5]Zhou Y C，Sun Z M and Yu B H.Microstructure of Ti3SiC2prepared by thein-situ hot pressing/solid-liquid reaction process，Z.Metallkd.2000，91(11)937-941[6]Gao N F，Lib J T，Zhange D，Miyamoto Y.Rapid synthesis of dense Ti3SiC2by spark plasma sintering，J.Euro.Ceram.Soc.，2002，222365-2370[7]E.Benko，P.Klimczyk，S.Mackiewicz，T.L.Barr，E.Piskorska.cBN-Ti3SiC2composites，Dia.Related Mater.，2004，13521-525[8]H.J.Wanga，Z.H.Jin，Y.Miyamotob，Effect of Al2O3 on mechanicalproperties of Ti3SiC2/Al2O3composite.，Cera.Inter.2002，28931-934[9]Shi-Bo Li，，Jian-Xin Xie，Li-Tong Zhang，Lai-Fei Cheng，Mechanicalproperties and oxidation resistance of Ti3SiC2/SiC composite synthesized by insitu displacement reaction of Si and TiC.，Mater.Lett.2003，573048-305權利要求
1.一種緻密鈦矽化碳-二硼化鈦複合塊體材料，其特徵在於其原料組成及成分範圍為以Ti粉、Si粉、TiC粉、B4C粉和鋁粉為原料；五種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(B4C)∶n(Al)＝1∶(0.5～1.2)∶2∶(0.05～0.5)∶(0.06～0.18)。
2.一種緻密鈦矽化碳-二硼化鈦複合塊體材料的原位熱壓合成工藝，其特徵在於包括以下步驟1)稱取Ti粉、Si粉、TiC粉、B4C和鋁粉，五種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(BC4)∶n(Al)＝1∶(0.5～1.2)∶2∶(0.05～0.5)∶(0.06～0.18)，2)將稱取的原料粉末混合均勻後，置於石墨模具中，在熱壓系統中氬氣保護氣氛中進行燒結。3)燒結步驟為以60～180℃/min的升溫速率升至1200～1500℃，保溫30～120分鐘，壓力為20～80MPa。
3.根據權利要求2所述的緻密鈦矽化碳-二硼化鈦複合塊體材料的原位熱壓合成工藝，其特徵在於五種原料的摩爾比n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(B4C)∶n(Al)＝1∶0.5∶2∶0.05∶0.06。
4.根據權利要求2所述的緻密鈦矽化碳-二硼化鈦複合塊體材料的原位熱壓合成工藝，其特徵在於五種原料的摩爾比為n(Ti)∶n(Si)∶n(TiC)∶n(B4C)∶n(Al)＝1∶1.2∶2∶0.5∶0.18。
全文摘要
本發明是原位熱壓工藝合成緻密鈦矽化碳－二硼化鈦複合塊體材料。複合塊體的原料組成及成分範圍為以Ti粉、Si粉、TiC粉、B
文檔編號B22F3/12GK1637159SQ200410061169
公開日2005年7月13日 申請日期2004年11月23日 優先權日2004年11月23日
發明者梅炳初, 周衛兵, 朱教群 申請人:武漢理工大學