專利名稱：激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成TiC粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬陶瓷材料制備領(lǐng)域，涉及一種高純微細(xì)TiC粉體的制備方法，特 別是涉及一種采用激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成制備高純微細(xì)TiC粉體的方法。
背景技術(shù)：
碳化鈦(TiC)是一種具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、低密度，低斷裂韌性，高抗氧化性，高抗 腐蝕的材料，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥及化學(xué)工業(yè)，特別是用于合成坩堝、切割工具、耐磨材料、光 學(xué)透明材料及強(qiáng)化材料。但是，高昂的價(jià)格又限制了這類材料的大規(guī)模開發(fā)與應(yīng)用。目前TiC粉末主要是通過鎂熱還原、氣相激光誘導(dǎo)反應(yīng)、機(jī)械研磨、激光化學(xué)氣相 沉積及固態(tài)交換等方法制備，但是所有這些方法都需要高溫或復(fù)雜的操作，因此，探索高效 節(jié)能的低成本制備工藝一直是近年來的研究熱點(diǎn)。自蔓延高溫合成(SHS)是由俄羅斯科學(xué)家A. G. Merzhanov院士在20世紀(jì)60年 代末期最先提出的一種材料合成與制備新技術(shù)，它是一種利用反應(yīng)自生放熱合成材料的先 進(jìn)制備技術(shù)，反應(yīng)混合物被點(diǎn)燃以后，形成自行蔓延的燃燒波，燃燒波快速向未反應(yīng)區(qū)域傳 播，燃燒波過后，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用了放熱反應(yīng)加工，克服了傳統(tǒng)制備方法 中的時(shí)間及能量集中燒結(jié)加工的困難。激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成(LISHS)是利用激光的高能密度透過特定的介質(zhì)(窗 口)將待合成材料點(diǎn)燃，然后靠合成反應(yīng)放出的潛熱維持自蔓延，最終獲得所需的材料。 激光點(diǎn)火作為一種新的點(diǎn)火方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如1)照射源可置于離燒結(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的位 置，這樣可以消除由于墻或干擾源造成的變形；2)水平流動(dòng)的高能量可以被利用，也可聚 集到一點(diǎn)、一片或中心，這會(huì)是有能力指導(dǎo)能量輸入到確定的模式或控制燒結(jié)的結(jié)構(gòu)；3) LISHS過程很安全，容易控制而不造成污染。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，使LISHS在制備陶瓷粉體、 金屬間化合物等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。遺憾的是，目前尚未有用LISHS制備高純TiC微粉的專利，但有相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道， 如J. B. Holt、D. C. Halverson和Merzhanov等利用燃燒合成的方法制備了 TiC。但他們都 是以高純Ti粉與C粉為原料直接制備TiC的，這種工藝合成的TiC雖然具有較高的純度， 但是制造成本高，無法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。夏斌華等利用預(yù)熱自蔓延方法制備了 TiC，也是以 高純Ti粉與C粉為原料直接制備，而且預(yù)熱溫度高達(dá)1300°C，既增加了生產(chǎn)成本，又使設(shè)備 的復(fù)雜程度增加。王為明等利用鎢絲點(diǎn)火的方法合成了 TiC。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有TiC制備方法的不足，提供一種利用激光誘導(dǎo)自蔓延高 溫合成制備TiC微細(xì)粉末的方法。本發(fā)明的TiC微細(xì)粉末制備方法是以A1粉、C粉和Ti02粉為原料，先采用激光誘 導(dǎo)自蔓延高溫合成方法合成出含有ai203副產(chǎn)品(鋁鈦化合物作為中間產(chǎn)物在反應(yīng)過程中 分解)的Tic初級(jí)產(chǎn)物，然后以酸性腐蝕液萃取腐蝕掉副產(chǎn)品A1203，得到純度較高的TiC粉末。Al、C和Ti02是本發(fā)明主要的反應(yīng)原料，其中A1粉末純度為98%，粒度應(yīng)小于 200 250iim，Ti02粉末純度為99. 5%，粒度應(yīng)小于80 100 y m，C粉末純度為99.9%， 粒度應(yīng)小于100 150 u m。以上原料按照反應(yīng)式Ti02+C+Al — Al203+TiC+Q,形成基本成分 為A1203和TiC的產(chǎn)物，Q是反應(yīng)放熱。本發(fā)明的原料組成以質(zhì)量百分比計(jì)為Ti02 43 . 5 60.9wt% C 6. 5 9. lwt% Al 30 50wt%。在上述反應(yīng)原料中，Al既作為稀釋劑，又作為反應(yīng)物，在合成過程的初期生成鋁鈦 化合物，但是由于自蔓延反應(yīng)燃燒溫度很高，在合成過程的后期完全分解。C和Ti02是合成 TiC的主要反應(yīng)物。本發(fā)明激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成TiC粉體的方法為1.將A1粉、C粉和Ti02粉按照上述質(zhì)量百分比混合，于混料機(jī)中球磨10 20h， 混合料粉以30 40MPa的單向靜壓壓力壓制成長方體壓坯，然后用5kW連續(xù)C02激光器對(duì) 壓坯加熱，至自蔓延反應(yīng)發(fā)生，停止加熱，自然冷卻得到TiC初級(jí)產(chǎn)物；2.將燃燒得到的TiC初級(jí)產(chǎn)物置于盛有酸性腐蝕液的反應(yīng)釜中，常溫下腐蝕30 40h，過濾，以去離子水洗滌粉體至中性，烘干得到高純度的微細(xì)TiC粉體。其中，所述的酸性腐蝕液是5 25wt% HC1溶液或者10 30wt% H2S04溶液，主 要作用是去掉合成產(chǎn)物中的A1203。本發(fā)明的有益效果是1.本發(fā)明以A1、C和Ti02作為反應(yīng)物料制備TiC粉體，較之以C和Ti02制備TiC 大大降低了生產(chǎn)成本；2.由于在本發(fā)明的反應(yīng)體系中，Ti02和C與金屬A1發(fā)生反應(yīng)的放熱量遠(yuǎn)小于Ti 與C合成TiC的放熱量，形成的產(chǎn)物TiC晶粒細(xì)小、易于破碎；3.本發(fā)明對(duì)燃燒產(chǎn)物不進(jìn)行破碎，而是直接進(jìn)行萃取，所以避免了傳統(tǒng)方法由于 破碎帶來的二次污染；4.本發(fā)明的所有操作都是在空氣中進(jìn)行的，操作簡單，沒有安全隱患。5.采用激光誘導(dǎo)自蔓延反應(yīng)模式，充分利用了反應(yīng)自生的反應(yīng)熱，降低了能耗。本發(fā)明采用激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成方法結(jié)合化學(xué)純化方法合成了高純度TiC 微粉，其平均粒度可以達(dá)到2 3 y m。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1得到TiC微粉的微觀形貌圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1得到TiC微粉的XRD圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1將52. 2克Ti02粉末(平均粒度彡80 100 um),7. 8克C粉末(平均粒度彡100 150 ii m)、40克A1粉末(平均粒度< 200 250 u m)放入混料機(jī)中球磨10h，均勻混合后， 在Y/TD71半自動(dòng)液壓機(jī)上以30 40MPa的壓力單向靜壓壓制成長方體塊狀壓坯(壓坯密度約為理論密度的75% )。然后使用5kW連續(xù)C02激光器對(duì)壓坯進(jìn)行加熱，直到自蔓延反 應(yīng)發(fā)生為止，停止加熱，自然冷卻后收集反應(yīng)產(chǎn)物。將收集的反應(yīng)產(chǎn)物放入到反應(yīng)釜中，加入10% HC1腐蝕液100ml并不斷攪拌，在常 溫下腐蝕40h后，過濾，以去離子水洗滌濾餅，直至洗滌液為中性為止，然后將濾餅在烘箱 中烘干10h，即可得到高純度的TiC陶瓷微粉，產(chǎn)率80%，平均顆粒尺寸為2. 3 y m。圖1和圖2給出了該條件下合成TiC微粉的微觀形貌圖和XRD分析結(jié)果。結(jié)果表 明，所得粉體為單純的TiC，無雜相。實(shí)施例2將60. 9克Ti02粉末(平均粒度<80 100 iim)、9. 1克C粉末(平均粒度< 100 150 ii m)、30克A1粉末(平均粒度< 200 250 u m)放入混料機(jī)中球磨15h，均勻混合后， 在Y/TD71半自動(dòng)液壓機(jī)上以30 40MPa的壓力單向靜壓壓制成長方體塊狀壓坯(壓坯密 度約為理論密度的70% )。然后使用5kW連續(xù)C02激光器對(duì)壓坯進(jìn)行加熱，直到自蔓延反 應(yīng)發(fā)生為止，停止加熱，自然冷卻后收集反應(yīng)產(chǎn)物。將收集的反應(yīng)產(chǎn)物放入到反應(yīng)釜中，加入10% H2S04腐蝕液100ml并不斷攪拌，在 常溫下腐蝕40h后，過濾，以去離子水洗滌濾餅，直至洗滌液為中性為止，然后將濾餅在烘 箱中烘干10h，即可得到高純度的TiC陶瓷微粉，產(chǎn)率85%，平均顆粒尺寸為2. 0 y m。實(shí)施例3將43. 5克Ti02粉末(平均粒度< 80 100 ii m)、6. 5克C粉末(平均粒度< 100 150 ii m)、50克A1粉末(平均粒度< 200 250 u m)放入混料機(jī)中球磨20h，均勻混合后， 在Y/TD71半自動(dòng)液壓機(jī)上以30 40MPa的壓力單向靜壓壓制成長方體塊狀壓坯(壓坯密 度約為理論密度的80% )。然后使用5kW連續(xù)C02激光器對(duì)壓坯進(jìn)行加熱，直到自蔓延反 應(yīng)發(fā)生為止，停止加熱，自然冷卻后收集反應(yīng)產(chǎn)物。將收集的反應(yīng)產(chǎn)物放入到反應(yīng)釜中，加入20% H2S04腐蝕液100ml并不斷攪拌，在 常溫下腐蝕30h后，過濾，以去離子水洗滌濾餅，直至洗滌液為中性為止，然后將濾餅在烘 箱中烘干10h，即可得到高純度的TiC陶瓷微粉，產(chǎn)率75%，平均顆粒尺寸為2. 8 y m。
權(quán)利要求
激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成TiC粉體的方法，是以Al粉、C粉和TiO2粉為原料，按照下述質(zhì)量百分比混合并壓制成壓坯，TiO2 43.5～60.9wt％C 6.5～9.1wt％Al 30～50wt％采用激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成方法合成出含有Al2O3的TiC初級(jí)產(chǎn)物，再以酸性腐蝕液萃取腐蝕掉Al2O3，得到TiC粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成TiC粉體的方法，其特征是包括以 下步驟a).將A1粉、C粉和Ti02粉按照上述質(zhì)量百分比混合，于混料機(jī)中球磨10 20h，混合 料粉以30 40MPa的單向靜壓壓力壓制成長方體壓坯，然后用5kW連續(xù)C02激光器對(duì)壓坯 加熱，至自蔓延反應(yīng)發(fā)生，停止加熱，自然冷卻得到TiC初級(jí)產(chǎn)物；b).將燃燒得到的TiC初級(jí)產(chǎn)物置于盛有酸性腐蝕液的反應(yīng)釜中，于常溫下腐蝕30 40h，過濾，以去離子水洗滌粉體至中性，烘干得到高純度的微細(xì)TiC粉體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成TiC粉體的方法，其特征是所 述的酸性腐蝕液是5 25wt% HC1溶液或者10 30wt% H2S04溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成TiC粉體的方法，其特征是 所述的A1粉粒度小于200 250 u m, Ti02粉粒度小于80 100 u m, C粉粒度小于100 150 u m。
全文摘要
激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成TiC粉體的方法，是以Al粉、C粉和TiO2粉為原料，按照TiO243.5～60.9wt％、C 6.5-9.1wt％、Al 30～50wt％的質(zhì)量百分比混合壓制成壓坯，采用激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成方法合成出含有Al2O3的TiC初級(jí)產(chǎn)物，然后以酸性腐蝕液萃取腐蝕掉Al2O3，得到高純度的微細(xì)TiC粉體。本發(fā)明采用激光誘導(dǎo)自蔓延高溫合成方法結(jié)合化學(xué)純化方法合成高純度TiC粉體，降低了生產(chǎn)成本，形成的產(chǎn)物TiC晶粒細(xì)小，平均粒度可以達(dá)到2～3μm，不需要破碎，避免了由于破碎帶來的二次污染。
文檔編號(hào)C01B31/30GK101857227SQ20101019126
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月31日
發(fā)明者劉斌, 李玉新, 王建宏, 白培康 申請(qǐng)人:中北大學(xué)