專利名稱：一種鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，具體為原位合成一種硅化鈦(Ti5Si3)顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦(Ti3AlC2)基復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
Ti3AlC2是一種新型的三元層狀陶瓷材料。文獻(xiàn)1材料學(xué)報(bào)(ActaMaterialia50，3141(2002))中Wang等人研究表明它綜合了陶瓷和金屬的諸多優(yōu)點(diǎn)，具有低密度、高模量、抗熱震和優(yōu)良的高溫抗氧化性等特點(diǎn)，因而在航空、航天、核工業(yè)、燃料電池和電子信息等高新技術(shù)領(lǐng)域都有著潛在的廣泛應(yīng)用前景。
由于純的Ti3AlC2強(qiáng)度和硬度偏低，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。引入硬質(zhì)陶瓷顆粒是提高三元層狀陶瓷強(qiáng)度的有效方法之一。作為一種引入顆粒增強(qiáng)相的方法，原位合成具有相界面潔凈、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)；另外，由于增強(qiáng)相是原位合成的，與先制備出增強(qiáng)相，再和基體機(jī)械混合相比，制備成本大為降低。目前還沒有有關(guān)原位顆粒增強(qiáng)Ti3AlC2的報(bào)道。相關(guān)文獻(xiàn)集中在對(duì)另一種與Ti3AlC2結(jié)構(gòu)和性質(zhì)類似的三元層狀陶瓷材料，即硅碳化鈦(Ti3SiC2)的復(fù)合材料原位制備上，如文獻(xiàn)2材料快報(bào)(Scripta Materialia 34，1809(1996))中Radhakrishnan等人報(bào)道了原位制備的Ti3SiC2/SiC復(fù)合材料，其硬度和斷裂韌度有所提高；文獻(xiàn)3合金與化合物期刊(Journal of Alloys and Compounds 350，303(2003))中Ho-Duc等人報(bào)道了基體為Ti3SiC2，并含有30％體積份數(shù)TiC或SiC的復(fù)合材料，其結(jié)果表明兩種復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度均比未增強(qiáng)的Ti3SiC2基體低，說明增強(qiáng)效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種力學(xué)性能好、操作簡(jiǎn)單、工藝條件容易控制、成本低的鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是原位合成鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料，由硅化鈦顆粒增強(qiáng)相和鋁碳化鈦基體組成，其中硅化鈦顆粒增強(qiáng)相的體積百分?jǐn)?shù)為10～40％。
所述原位合成鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料的制備方法，以單質(zhì)鈦粉、鋁粉、硅粉和石墨粉為原料，Ti∶Al∶Si∶C的摩爾比為3∶(1.1-x)∶x∶(1.8～2.0)，其中x為0.1～0.5。原料粉經(jīng)物理機(jī)械方法混合8～24小時(shí)，裝入石墨模具中冷壓，施加的壓強(qiáng)為10～20MPa，在通有惰性氣體保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為10～50℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1400～1600℃、燒結(jié)時(shí)間為0.5～2小時(shí)、燒結(jié)壓強(qiáng)為20～40MPa。本發(fā)明可以原位制備出具有較高強(qiáng)度的Ti3AlC2/Ti5Si3復(fù)合材料。
所述加入的鈦粉、鋁粉、硅粉和石墨粉粒度范圍為200～400目；所述燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)；所述惰性氣體為氬氣、氦氣或氖氣；所述物理機(jī)械方法混合為在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介質(zhì)中球磨。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、增強(qiáng)相與基體間的界面純凈，力學(xué)性能好。采用本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)原位合成硅化鈦顆粒增強(qiáng)鋁碳化鈦基體。該復(fù)合材料的硬度、壓縮強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度均比純Ti3AlC2有較大幅度的提高。由于硅化鈦(Ti5Si3)具有非常高的熔點(diǎn)(2130℃)和較低的密度(4.32g/cm3)，因而非常適合作為鋁碳化鈦的增強(qiáng)相。
2、工藝簡(jiǎn)單，成本低。本發(fā)明是通過添加一定量的單質(zhì)硅，與原料鈦發(fā)生反應(yīng)，原位合成硅化鈦(Ti5Si3)顆粒，作為增強(qiáng)相，而鋁碳化鈦(Ti3AlC2)基體也同時(shí)熱壓反應(yīng)生成。由于在燒結(jié)過程中有液相出現(xiàn)，利用液相的快速傳質(zhì)過程，使化學(xué)反應(yīng)時(shí)間大大縮短，又使致密化過程變得非常容易，從而降低了成本。
3、鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料既保持了鋁碳化鈦基體的諸多優(yōu)點(diǎn)，如具有低密度、高模量、抗熱震和優(yōu)良的高溫抗氧化性等特點(diǎn)，同時(shí)又提高了強(qiáng)度，因而更加適用于作為一種航空、航天結(jié)構(gòu)材料。


圖1為不同硅加入量(x)的Ti3AlC2/Ti5Si3復(fù)合材料的X射線衍射譜(a)x＝0.15；(b)x＝0.25；(c)x＝0.35。隨著硅加入量的增加，Ti5Si3相的含量也逐漸增加。
圖2為Ti3AlC2/Ti5Si3復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度隨硅加入量的變化。隨著硅加入量的增加，抗彎強(qiáng)度也逐漸增加。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1將粒度范圍為200～400目的鈦粉73.63克、鋁粉13.13克、硅粉2.16克和石墨11.08克在球磨罐中球磨8小時(shí)，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為10MPa，放入熱壓爐中熱壓燒結(jié)。升溫速率為10℃/分鐘，加熱到1400℃保溫2小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到25MPa。整個(gè)燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析為Ti3AlC2和Ti5Si3兩相，如圖1(a)所示。定量相分析表明Ti5Si3的體積含量約為12％。該復(fù)合材料的維氏硬度為3.49GPa(載荷為10N)，壓縮強(qiáng)度為819MPa，斷裂韌度為7.87MPa·m1/2。
實(shí)施例2將粒度范圍為200～400目的鈦粉73.59克、鋁粉11.74克、硅粉3.6克和石墨11.07克在球磨罐中球磨16小時(shí)，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為15MPa，放入熱壓爐中熱壓燒結(jié)。升溫速率為20℃/分鐘，加熱到1500℃保溫1小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到30MPa。整個(gè)燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析為為Ti3AlC2和Ti5Si3兩相，如圖1(b)所示。定量相分析表明Ti5Si3的體積含量約為20％。該復(fù)合材料的維氏硬度為3.79GPa，壓縮強(qiáng)度為919MPa，斷裂韌度為7.09MPa·m1/2。
實(shí)施例3將粒度范圍為200～400目的鈦粉73.55克、鋁粉10.36克、硅粉5.03克和石墨11.15克在酒精介質(zhì)中球磨，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強(qiáng)為20MPa，放入熱壓爐中熱等靜壓燒結(jié)。升溫速率為50℃/分鐘，加熱到1600℃保溫0.5小時(shí)，同時(shí)壓力逐漸加到20MPa。整個(gè)燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。獲得的反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)X射線衍射分析為射線衍射分析為Ti3AlC2和Ti5Si3兩相，如圖1(c)所示。定量相分析表明Ti5Si3的體積含量約為30％。該復(fù)合材料的維氏硬度為4.37GPa，壓縮強(qiáng)度為966MPa，斷裂韌度為7.96MPa·m1/2。
比較例采用與實(shí)施例1相同的工藝制備了純Ti3AlC2，測(cè)得的維氏硬度為3.07GPa；壓縮強(qiáng)度為671MPa；斷裂韌度為8.15MPa·m1/2?？梢?，純Ti3AlC2的斷裂韌度與Ti3AlC2/Ti5Si3復(fù)合材料基本相當(dāng)，而硬度和壓縮強(qiáng)度均比純Ti3AlC2高。更為重要的的是，抗彎強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果表明，各種復(fù)合材料均比純Ti3AlC2要高，如圖2所示。這與背景技術(shù)中文獻(xiàn)3提到的原位TiC或SiC顆粒增強(qiáng)Ti3SiC2的情況明顯不同，他們的結(jié)果是復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度反而更低。
由實(shí)施例1、實(shí)施例2、實(shí)施例3和比較例可見，本方法制備的Ti3AlC2/Ti5Si3復(fù)合材料具有純度高、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，并首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)該類三元層狀陶瓷的原位顆粒增強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料，其特征在于由硅化鈦顆粒增強(qiáng)相和鋁碳化鈦基體組成，其中硅化鈦顆粒增強(qiáng)相的體積百分?jǐn)?shù)為10～40％。
2.按照權(quán)利要求1所述鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料的制備方法，其特征在于通過加入單質(zhì)硅，制備出不同體積比的鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料，以鈦粉、鋁粉、硅粉和石墨粉為原料，Ti∶Al∶Si∶C的摩爾比為3∶(1.1-x)∶x∶(1.8～2.0)，其中硅的加入量x為0.1～0.5，原料粉經(jīng)物理機(jī)械方法混合8～24小時(shí)，裝入石墨模具中，施加的壓強(qiáng)為10～20MPa，在通有保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為10～50℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1400～1600℃、燒結(jié)時(shí)間為0.5～2小時(shí)、燒結(jié)壓強(qiáng)為20～40MPa。
3.按照權(quán)利要求2所述鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述加入的鈦粉、鋁粉、硅粉和石墨粉粒度范圍為200～400目。
4.按照權(quán)利要求2所述鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)。
5.按照權(quán)利要求2所述鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述惰性氣體為氬氣、氦氣或氖氣。
6.按照權(quán)利要求2所述鋁碳化鈦/硅化鈦復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述物理機(jī)械方法混合采用在聚氨酯罐中干混或在酒精介質(zhì)中球磨。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種原位合成硅化鈦(Ti
文檔編號(hào)C04B35/78GK1789202SQ20041008297
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月15日
發(fā)明者周延春, 陳繼新 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所