專利名稱：一種氧化鋁增強(qiáng)鈦硅鋁碳基陶瓷復(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)合材料及制備方法，具體為一種熱壓制備氧化鋁增強(qiáng)鈦硅鋁碳基(Ti3Si1-xAlxC2(0＜x≤0.1))陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
自M.W.Barsoum等通過反應(yīng)熱壓技術(shù)首次合成塊體Ti3SiC2以來(Journal ofthe American Ceramic Society，79(1996)1953-6)，Ti3SiC2以其獨(dú)特的納米層狀晶粒結(jié)構(gòu)，兼具陶瓷和金屬的特點(diǎn)低密度、低硬度、高模量、高斷裂韌性、良好的抗熱震性能和高溫氧化阻力、良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，成為極具潛力的高溫應(yīng)用結(jié)構(gòu)材料，已經(jīng)成為世界研究的熱點(diǎn)。Y.C.Zhou等采用Ti、Si和C粉為原料，通過原位熱壓固/液相反應(yīng)制備了較純的Ti3SiC2塊體材料(Material ResearchInnovation，2(1998)142-6)。Y.C.Zhou等利用Al代替Ti3SiC2中的一部分Si，制備出了Ti3Si1-xAlxC2固溶體(Materials Research Innovations，8(2004)97-102)。H.B.Zhang等研究認(rèn)為形成Ti3Si0.9Al0.1C2固溶體可以提高其高溫抗氧化性(ActaMaterialia，52(2004)3631-7)。
Ti3SiC2作為結(jié)構(gòu)陶瓷材料，耐磨性對(duì)其使用壽命的影響是很大的。T.El-Raghy等報(bào)道粗晶Ti3SiC2(100μm)比細(xì)晶Ti3SiC2(5μm)具有更高的磨損阻力(Wear，238(2000)125-30)。Y.Zhang等認(rèn)為Ti3SiC2是非自潤(rùn)滑的，在以自身為對(duì)磨副時(shí)摩擦系數(shù)很高(1.16-1.43)(Materials Letters，55(2002)285-9)。D.Sarkar等研究確定Ti3SiC2磨損伴隨著摩擦氧化反應(yīng)，隨加載值增大磨損率也隨之增大(Journal ofthe American Ceramic Society，88(2005)3245-8)。綜合研究認(rèn)為Ti3SiC2的耐磨性能不理想，而添加硬質(zhì)相粒子是提高耐磨性的途徑。因?yàn)锳l2O3具有高彈性模量和高硬度，以及和Ti3SiC2具有化學(xué)相容性和相近的熱膨脹系數(shù)，所以制備Ti3SiC2/Al2O3復(fù)合材料成為研究的目標(biāo)。H.J.Wang等(Ceramics International，28(2002)931-4)采用Ti粉，TiC粉，Si粉和Al2O3粉在SPS系統(tǒng)中熱壓燒結(jié)Ti3SiC2/Al2O3復(fù)合材料。Y.M.Luo等(Materials Letters，57(2003)2509-14)通過首先制備Ti3SiC2粉，再用Ti3SiC2粉和Al2O3粉按比例混合制備Al2O3/Ti3SiC2復(fù)合材料，工藝復(fù)雜，成本較高。S.B.Li等(Composites Science and Technology，63(2003)813-9)以TiH粉，Si粉，C粉和Al2O3粉為原料在真空條件下熱壓，只合成了8wt.％Al2O3的Ti3SiC2/Al2O3復(fù)合材料。均未涉及利用Al2O3來增強(qiáng)Ti3Si1-xAlxC2固溶體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種成分可調(diào)、力學(xué)性能好、耐磨性能優(yōu)異、操作簡(jiǎn)單、工藝條件容易控制、成本低的Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種氧化鋁增強(qiáng)鈦硅鋁碳基陶瓷復(fù)合材料，由氧化鋁增強(qiáng)相和原位生成的Ti3Si1-xAlxC2基體組成，Al2O3作為增強(qiáng)相存在于Ti3Si1-xAlxC2基體中，Al2O3的含量為5～30vol.％(體積百分含量)。所述Ti3Si1-xAlxC2基體中，Si與Al摩爾比為(1-x)∶x，0＜x≤0.1。
一種制備Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料的方法，通過熱壓技術(shù)合成，其中Ti3Si1-xAlxC2被原位生成，Al2O3作為增強(qiáng)相存在于Ti3Si1-xAlxC2基體中。
所述制備Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料的方法，以鈦粉、硅粉、鋁粉、石墨粉和氧化鋁粉為原料，鈦粉、硅粉、鋁粉、石墨粉之間的原子比例(即摩爾比)為3∶(1-x)∶x∶2，其中0＜x≤0.1。球磨16～24小時(shí)，干燥并過篩后裝入石墨模具中冷壓成型(10～20MPa)，在真空或通有氬氣的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為10～15℃/分鐘，在1500～1600℃燒結(jié)，保溫時(shí)間為30～120分鐘，施加壓力為20～40MPa。從而，制備出高硬度、高彈性模量、高彎曲強(qiáng)度、高剪切強(qiáng)度、耐磨性能好等綜合機(jī)械性能優(yōu)越的Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料。
所述加入的鈦粉、硅粉、鋁粉、石墨粉和氧化鋁粉粒度范圍為200～600目；所述燒結(jié)方式為熱壓燒結(jié)；所述燒結(jié)氣氛為真空(真空度為10-4～10-2MPa)或氬氣；所述混料方式采用在酒精介質(zhì)下的球磨法。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.成分可調(diào)、工藝簡(jiǎn)單，成本低。本發(fā)明以鈦粉、硅粉、鋁粉、石墨粉和氧化鋁粉為原料，其中氧化鋁的體積百分含量可以在原始配比中調(diào)節(jié)。所燒結(jié)的Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料由Ti3Si1-xAlxC2和Al2O3兩相組成，其中Ti3Si1-xAlxC2被原位合成。相對(duì)于先合成兩相，再混合燒結(jié)，使工藝流程變得簡(jiǎn)單，又大大降低了成本。
2.力學(xué)性能好、耐磨性能好。相對(duì)于同種方法合成的Ti3Si1-xAlxC2單相陶瓷，所制備的Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料具有高致密度、高硬度、高彈性模量、高彎曲強(qiáng)度、高剪切強(qiáng)度、耐磨性能好等綜合機(jī)械性能優(yōu)越的特點(diǎn)。以Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3為例，當(dāng)Al2O3增強(qiáng)相的含量為10vol.％(體積百分含量)左右時(shí)，材料的彈性模量達(dá)到334GPa，硬度為5.2GPa，彎曲強(qiáng)度為579MPa，剪切強(qiáng)度為133MPa，分別比單相Ti3Si0.9Al0.1C2提高了約5.4％，48.6％，38.5％和14.7％。另外，實(shí)驗(yàn)證明在以AISI-52100軸承鋼球?yàn)閷?duì)磨副，往復(fù)式摩擦條件下Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3復(fù)合材料具有更好的耐磨性，并且其耐磨性隨Al2O3體積含量的增加而增強(qiáng)。


圖1為單相Ti3Si0.9Al0.1C2和Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3復(fù)合材料的X射線衍射譜。(a)為單相Ti3Si0.9Al0.1C2，(b)為Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3，(c)為Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3。
圖2(a)-(b)為Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料的斷口(背散射相)。(a)為Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3，(b)為Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3。
圖3為Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料以AISI-52100軸承鋼球?yàn)閷?duì)磨副，往復(fù)式摩擦條件下的磨損率和加載值的關(guān)系。
圖4為Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3陶瓷復(fù)合材料的在10N加載下的磨損表面。
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(Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3)(TSAC/10A)將粒度范圍為200～600目的鈦粉131.3克、硅粉27.8克、鋁粉2.5克、石墨21.9克和氧化鋁粉18.0克為原料，以無水酒精為介質(zhì)，在瑪瑙罐中球磨16小時(shí)，干燥(含水量小于0.05wt.％)并過200目篩后裝入石墨模具中冷壓成型(10MPa)，在通有氬氣的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為10℃/分鐘，在1550℃燒結(jié)，保溫時(shí)間為60分鐘，施加壓力為30MPa。整個(gè)燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。阿基米德法測(cè)得的密度為4.41g/cm3，為理論密度的98.5％。Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3復(fù)合材料的維氏硬度為5.2GPa；彈性模量為334GPa；彎曲強(qiáng)度為579MPa；剪切強(qiáng)度為133MPa。
實(shí)施例2(Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3)(TSAC/20A)將粒度范圍為200～600目的鈦粉157.7克、硅粉33.4克、鋁粉3.0克、石墨26.3克和氧化鋁粉48.5克為原料，以無水酒精為介質(zhì)，在瑪瑙罐中球磨24小時(shí)，干燥(含水量為小于0.05wt.％)并過200目篩后裝入石墨模具中冷壓成型(20MPa)，在通有氬氣的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為15℃/分鐘，在1600℃燒結(jié)，保溫時(shí)間為30分鐘，施加壓力為40MPa。整個(gè)燒結(jié)過程都是在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。阿基米德法測(cè)得的密度為4.32g/cm3，為理論密度的97.7％。Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3復(fù)合材料的維氏硬度為6.0GPa；彈性模量為340GPa；彎曲強(qiáng)度為453MPa；剪切強(qiáng)度為230MPa。
比較例采用本法所制備的兩種不同Al2O3體積百分含量的Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料與同種工藝所制備的單相Ti3Si0.9Al0.1C2(TSAC)相比。Ti3Si0.9Al0.1C2的維氏硬度為3.5GPa；彈性模量為317GPa；彎曲強(qiáng)度418MPa；剪切強(qiáng)度為116MPa。相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)低于Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料。
下面具體介紹Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)，耐磨性和提高耐磨性的機(jī)理。
圖1為單相Ti3Si0.9Al0.1C2和Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3復(fù)合材料的X射線衍射譜。(a)為單相Ti3Si0.9Al0.1C2，(b)為Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3，(c)為Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3。在單相Ti3Si0.9Al0.1C中沒有雜質(zhì)相的存在，在Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3復(fù)合材料中僅包含少量的TiC相。圖2為Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料的斷口形貌(背散射相)。圖(a)為Ti3Si0.9Al0.1C2/10vol.％Al2O3復(fù)合材料的斷口，圖(b)為Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3復(fù)合材料的斷口，黑色相為Al2O3顆粒，灰色相為Ti3Si0.9Al0.1C2晶粒。從圖(a)可觀察到Al2O3顆粒彌散分布在Ti3Si0.9Al0.1C2的晶粒內(nèi)部和晶界，在圖(b)中除Al2O3顆粒的彌散分布外，有少量Al2O3顆粒在Ti3Si0.9Al0.1C2晶界處產(chǎn)生團(tuán)聚。圖3為Ti3Si0.9Al0.1C2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料以AISI-52100軸承鋼球?yàn)閷?duì)磨副，往復(fù)式摩擦條件下的磨損率和加載值的關(guān)系。隨基體中增強(qiáng)相Al2O3體積百分含量的增大，復(fù)合材料的磨損率逐漸下降，另外隨加載值增大復(fù)合材料的磨損率也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這說明Al2O3的添加可以有效地提高Ti3Si0.9Al0.1C2基體的耐磨性。圖4為Ti3Si0.9Al0.1C2/20vol.％Al2O3陶瓷復(fù)合材料的在10N加載下的磨損表面?？捎^察到Al2O3顆粒分布在Ti3Si0.9Al0.1C2基體中，在滑動(dòng)的鋼球下承載加載力，并釘扎周圍的Ti3Si0.9Al0.1C2晶粒形成突出的平臺(tái)，從而減少材料的摩擦損失。這就是Al2O3添加提高Ti3Si0.9Al0.1C2基體耐磨性的機(jī)理。
由實(shí)施例1、實(shí)施例2和比較例可見，本方法制備的Ti3Si1-xAlxC2/Al2O3陶瓷復(fù)合材料具有高硬度、高彈性模量、高彎曲強(qiáng)度、高剪切強(qiáng)度、耐磨性能好等綜合機(jī)械性能優(yōu)越的特點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋁增強(qiáng)鈦硅鋁碳基陶瓷復(fù)合材料，其特征在于由氧化鋁增強(qiáng)相和原位生成的Ti3Si1-xAlxC2基體組成，Al2O3作為增強(qiáng)相存在于Ti3Si1-xAlxC2基體中，Al2O3的體積百分含量為5～30％；Ti3Si1-xAlxC2基體中，Si與Al摩爾比為(1-x)∶x，其中0＜x≤0.1。
2.按照權(quán)利要求1所述氧化鋁增強(qiáng)鈦硅鋁碳基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于以鈦粉、硅粉、鋁粉、石墨粉和氧化鋁粉為原料，鈦粉、硅粉、鋁粉、石墨粉之間的原子比例為3∶(1-x)∶x∶2，其中0＜x≤0.1；球磨16～24小時(shí)，干燥并過篩后裝入石墨模具中冷壓成型，壓力為10～20MPa，在真空或通有氬氣的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為10～15℃/分鐘，在1500～1600℃燒結(jié)，保溫時(shí)間為30～120分鐘，施加壓力為20～40MPa。
3.按照權(quán)利要求2所述氧化鋁增強(qiáng)鈦硅鋁碳基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于Ti3Si1-xAlxC2被原位生成，增強(qiáng)相Al2O3的體積含量可以在原始配比中調(diào)節(jié)。
4.按照權(quán)利要求2所述氧化鋁增強(qiáng)鈦硅鋁碳基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述加入的鈦粉、硅粉、鋁粉、石墨粉和氧化鋁粉粒度范圍為200～600目。
5.按照權(quán)利要求2所述氧化鋁增強(qiáng)鈦硅鋁碳基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于采用酒精為介質(zhì)在瑪瑙罐中球磨。
全文摘要
本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料及制備方法，具體為一種熱壓制備氧化鋁增強(qiáng)鈦硅鋁碳基(Ti
文檔編號(hào)C04B35/645GK101033135SQ20061004601
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2006年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者周延春, 胡春峰, 萬德田, 包亦望 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所