一種Nb₄AlC₃陶瓷粉體的製備方法

2023-04-23 07:24:16 2

專利名稱：一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種三元層狀化合物單相陶瓷粉體的製備方法。
背景技術：
Mn+1AXn(M為過渡族金屬，A為主族元素，X為C或N， n = 1_3)具有層狀的六方結構。自M. W. Barsoum等(美國陶瓷協會，J. Am. Ceram. Soc. 79(1996) 1953)通過反應熱壓技術首次合成塊體Ti3SiC2以來，Mn+1AXn以其獨特的特性吸引著世界上越來越多的科研工作者。具體來說，它既具有陶瓷的諸多優點，比如高模量，高強度等。也具有金屬的某些性能，比如低硬度，可加工，良好的導電導熱性能，有較高的損傷容限和良好的抗熱震性能。很有希望用於航空、航天、電子工業和核工業等場合的新型結構/功能一體化材料。
Nb4AlC3是一種最近新發現的三元層狀化合物Mn+1AXn陶瓷，其優良的高溫性能日益受到人們的重視。雖然唚^化3具有許多優良的綜合性能及廣闊的潛在應用前景，但是Nb4AlC3的製備極其困難，使得它的相關基礎研究和應用受到限制。目前，三元層狀化合物唚^化3塊體主要是通過熱壓工藝製備而成。周延春等(美國陶瓷學會期刊，J. Am. Ceram.Soc. 91(2008)2258)使用熱壓工藝以Nb、Al和C粉末為原料，在1700°C 、30MPa熱壓1小時成功製備出唚^化3單相塊體陶瓷，此製備工藝的缺點在於製備溫度高(1700°C )、反應時間長(1小時)，生產效率低；在製備過程中需要長時間連續加熱，消耗了大量的電能；工藝複雜，為防止氧化需要真空環境或氬氣保護；同時經過長時間的加熱，材料的組織粗化，導致其力學性能較差。傳統的陶瓷粉體是由固態反應合成後經後續粉碎研磨而成，成本較高，工藝流程複雜，極大的限制了陶瓷粉體材料的推廣和應用，很難形成工業化和產業化。目前，還未見Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法。

發明內容
本發明的目的是為了提供一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，以解決現有傳統陶瓷粉體的製備方法反應時間長、能耗大、工藝複雜、成本高昂、生產時間長、生產效率低的問題。 本發明一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法是通過以下步驟實現的a、分別稱取鈮粉、鋁粉和碳粉，然後將其放入樹脂球磨罐中球磨5 30小時，或者加入無水乙醇球磨溼混5 30小時後自然晾乾獲得混合粉末，其中，鈮粉和鋁粉的摩爾比為4 : 0.7 1.3，鈮粉和碳粉的摩爾比為4 : 2.6 3.2;b、將混合粉末裝入石墨舟中，再將石墨舟放入密閉壓力容器，然後通入惰性氣體，保持密閉壓力容器中的壓力為0. 01 2MPa，點火使混合粉末發生自蔓延反應得到疏鬆狀N、A1C3陶瓷，冷卻後將其粉碎、過篩、乾燥得到Nb4AlC3陶瓷粉體。
本發明步驟一中加入無水乙醇作為分散劑使物料混合均勻，使無水乙醇的液面沒過物料1 5mm。 本發明Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法利用燃燒合成工藝，以低成本的鈮粉、鋁粉和碳粉為原料製備出低成本、高純度的單相Nb4AlC3陶瓷粉體；而且製備工藝成本低，無需長時間高溫加熱，可以節約大量能源，能耗降低；反應速率快，合成時間短，生產效率高，燃燒 合成反應僅在幾分鐘內即可完成，較短的保溫時間抑制了晶粒的長大，使其合成的恥^化3 具有細小的晶粒；工藝設備簡單，佔地面積小，維護保養方便。 本發明的製備方法得到的Nb4AlC3陶瓷粉體，由單相Nb4AlC3組成，純度高，Nb4AlC3 陶瓷粉體屬六方晶系，空間群為P63/mmc，晶體結構中Al與Nb_C鏈以弱共價鍵結合，導致 N、A1C3易延(0001)基面產生剪切變形，從而使Nb4AlC3晶粒易於產生扭折和層裂，微觀上 表現出顯微塑性。 本發明的製備方法與傳統的高溫固態反應法相比，本發明的優勢在於利用了原
料的化學能，在反應過程中只需要很小的能量點火即可，燃燒過程所需的能量來自原料燃
燒所釋放的化學能，極大地降低了能耗，提高了生產效率；而且燃燒合成的溫度很高，可達
2000 3000°C，高溫有利於雜質的揮發，因而Nb4AlC3陶瓷粉體的純度很高。 綜上所述，本發明採用燃燒合成技術製備N、A1C3陶瓷粉體的方法，具有反應時間
短，反應速率快，耗能少，生產效率高，成本低，工藝簡單等突出優點，而且得到的Nb4AlC3陶
瓷粉體組織細小，應用前景廣闊，可用於航空、航天、電子工業和核工業等行業，具有明顯的
社會和經濟效益。
具體實施例方式
本發明技術方案不局限於以下所列舉具體實施方式
，還包括各具體實施方式
間的
任意組合。
具體實施方式
一 本實施方式一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法是通過以下步驟 實現的a、分別稱取鈮粉、鋁粉和碳粉，然後將其放入樹脂球磨罐中球磨5 30小時，或 者加入無水乙醇球磨溼混5 30小時後自然晾乾得混合粉末，其中，鈮粉和鋁粉的摩爾比 為4 : 0.7 1.3，鈮粉和碳粉的摩爾比為4 : 2.6 3.2;b、將混合粉末裝入石墨舟中， 再將石墨舟放入密閉壓力容器，然後通入惰性氣體，保持密閉壓力容器中的壓力為0.01 2MPa，點火使混合粉末發生自蔓延反應得到疏鬆狀N、AlC3陶瓷，冷卻後將其粉碎、過篩、幹 燥得到NVV1Q陶瓷粉體。 本實施方式中鈮粉、鋁粉和碳粉均為市售產品，質量純度在98%以上。 本實施方式步驟一中加入無水乙醇作為分散劑使物料混合均勻，使無水乙醇的液
面沒過物料1 5mm。 本實施方式反應時間短，反應速率快，耗能少，生產效率高，成本低，工藝簡單，得 到的Nb4AlC3陶瓷粉體，由單相Nb4AlC3組成，純度高，Nb4AlC3陶瓷粉體屬六方晶系，空間群 為P63/mmc，晶體結構中Al與Nb-C鏈以弱共價鍵結合，導致Nb4AlC3易延(0001)基面產生 剪切變形，從而使Nb4AlC3晶粒易於產生扭折和層裂，微觀上表現出顯微塑性。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟a中鈮粉和鋁粉的 摩爾比為4 : 0.9 1.2。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟a中鈮粉和鋁粉的 摩爾比為4 : 1.1。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一、二或三不同的是步驟a中鈮粉 和碳粉的摩爾比為4 : 2. 7 3.1。其它步驟及參數與具體實施方式
一、二或三相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一、二或三不同的是步驟a中鈮粉
和碳粉的摩爾比為4 : 2.8。其它步驟及參數與具體實施方式
一、二或三相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五不同的是步驟a中碳粉為石
墨或者炭黑。其它步驟及參數與具體實施方式
一至五相同。 本實施方式的石墨和炭黑均為市售產品。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六不同的是步驟b中惰性氣體 為氬氣或者氦氣。其它步驟及參數與具體實施方式
一至六相同。 具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七不同的是步驟b中保持密閉
壓力容器中壓力為0. 1 1. 0MPa。其它步驟及參數與具體實施方式
一至七相同。 具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至七不同的是步驟b中保持密閉
壓力容器中壓力為0. 3MPa。其它步驟及參數與具體實施方式
一至七相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至八不同的是步驟b中點火採用
Ni-Cr絲，點火劑為摩爾比為l : 1的鈦粉與炭黑的混合物。其它步驟及參數與具體實施方
式一至八相同。 本實施方式中點火劑中的鈦粉為粒度小於300目的質量純度為99%的鈦粉。鈦粉 與炭黑均為市售產品。
具體實施方式
i^一 本實施方式Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法是通過以下步驟實 現的a、分別稱取鈮粉、鋁粉和碳粉，然後將其放入樹脂球磨罐中，然後加入無水乙醇球磨 溼混30小時後自然晾乾得混合粉末，其中，鈮粉和鋁粉的摩爾比為4 : 1. l，鈮粉和碳粉的 摩爾比為4 : 2.8;b、將混合粉末裝入石墨舟中，再將石墨舟放入密閉壓力容器，然後通入 惰性氣體氬氣，保持密閉壓力容器中的壓力為O. 3MPa，點火使混合粉末發生自蔓延反應得 到疏鬆狀Nb4AlC3陶瓷，冷卻後將其粉碎、過篩、乾燥得到Nb4AlC3陶瓷粉體。
本實施方式步驟一中加入無水乙醇作為分散劑使物料混合均勻，使無水乙醇的液 面沒過物料3mm。 本實施方式中點火採用Ni-Cr絲，點火劑為摩爾比為1 : 1的鈦粉與炭黑的混合 物。 本實施方式中得到的Nb4AlC3陶瓷粉體由單相Nb4AlC3組成，純度高。
具體實施方式
十二 本實施方式Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法是通過以下步驟實
現的a、分別稱取鈮粉、鋁粉和碳粉，然後將其放入樹脂球磨罐中球磨30小時得混合粉末，
其中，鈮粉和鋁粉的摩爾比為4 : 1.2，鈮粉和碳粉的摩爾比為4 : 2.7;b、將混合粉末裝
入石墨舟中，再將石墨舟放入密閉壓力容器，然後通入惰性氣體氬氣，保持密閉壓力容器中
的壓力為0. lMPa，點火使混合粉末發生自蔓延反應得到疏鬆狀Nb4AlC3陶瓷，冷卻後將其粉
碎、過篩、乾燥得到Nb4AlC3陶瓷粉體。 本實施方式中點火採用Ni-Cr絲，點火劑為摩爾比為1 : 1的鈦粉與炭黑的混合 物。 本實施方式中得到的Nb4AlC3陶瓷粉體由單相Nb4AlC3組成，純度高，晶相組織小， 緻密性提高。
權利要求
一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，其特徵在於Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法是通過以下步驟實現的a、將鈮粉、鋁粉和碳粉放入樹脂球磨罐中球磨5～30小時，或者加入無水乙醇球磨溼混5～30小時後自然晾乾得混合粉末，其中，鈮粉和鋁粉的摩爾比為4∶0.7～1.3，鈮粉和碳粉的摩爾比為4∶2.6～3.2；b、將混合粉末裝入石墨舟中，再將石墨舟放入密閉壓力容器，然後通入惰性氣體，保持密閉壓力容器中的壓力為0.01～2MPa，點火使混合粉末發生自蔓延反應得到疏鬆狀Nb4AlC3陶瓷，冷卻後將其粉碎、過篩、乾燥得到Nb4AlC3陶瓷粉體。
2. 根據權利要求1所述的一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，其特徵在於步驟a中鈮粉和鋁粉的摩爾比為4 : 0.9 1.2。
3. 根據權利要求1所述的一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，其特徵在於步驟a中鈮粉和鋁粉的摩爾比為4 :1.1。
4. 根據權利要求1或2所述的一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，其特徵在於步驟a中鈮粉和碳粉的摩爾比為4 : 2. 7 3.1。
5. 根據權利要求1或2所述的一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，其特徵在於步驟a中鈮粉和碳粉的摩爾比為4 : 2.8。
6. 根據權利要求4所述的一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，其特徵在於步驟a中碳粉為石墨粉或者炭黑粉。
7. 根據權利要求1、2或6所述的一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，其特徵在於步驟b中惰性氣體為氬氣或者氦氣。
8. 根據權利要求7所述的一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，其特徵在於步驟b中保持密閉壓力容器中壓力為0. 1 1. OMPa。
9. 根據權利要求1、2、6或8所述的一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，其特徵在於步驟b中點火採用Ni-Cr絲，點火劑為摩爾比為1 : l的鈦粉與炭黑的混合物。
全文摘要
一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，它涉及一種三元層狀化合物單相陶瓷粉體的製備方法。本發明提供了一種Nb4AlC3陶瓷粉體的製備方法，以解決現有傳統陶瓷粉體的製備方法能耗大、工藝複雜、成本高、生產時間長、生產效率低的問題。本發明的方法是一、稱取鈮粉、鋁粉和碳粉，然後球磨得混合粉末；二、將混合粉末裝入石墨舟，然後放入反應器中，並充入惰性氣體，點火發生自蔓延反應，冷卻後經粉碎、過篩、乾燥得到Nb4AlC3陶瓷粉體。本發明的方法反應速度快、合成時間短、能耗低、成本低、生產效率高，得到的Nb4AlC3陶瓷粉體純度高。本發明得到的Nb4AlC3陶瓷粉體可用於航空、航天、電子工業和核工業等行業。
文檔編號C04B35/626GK101747057SQ200910073098
公開日2010年6月23日 申請日期2009年10月27日 優先權日2009年10月27日
發明者朱春城, 柏躍磊, 赫曉東 申請人:哈爾濱工業大學