專利名稱：一種三元層狀碳化物Ti₂SC材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新型結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，特別是涉及一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法。
背景技術(shù)：
Ti2SC作為層狀化合物Mn+1AXn (其中“M”代表前期過(guò)渡元素，“A”代表一種主族元素，“X”代表C或N元素，n=l, 2或3)中的一員，同時(shí)具有金屬和陶瓷的優(yōu)異性能，像金屬一樣，抗熱沖擊性能好，導(dǎo)電導(dǎo)熱，高溫易塑性，特別是抗破壞能力強(qiáng)和可加工性好；又像陶瓷，彈性剛性好，質(zhì)輕，耐疲勞和耐高溫。這些優(yōu)異性能使得它們?cè)诤芏鄳?yīng)用方面是很吸引人的，比如用作高溫結(jié)構(gòu)材料。而Ti2SC是其中晶格常數(shù)c值最小的，且S為非金屬元素，就使得Ti2SC具有很多特殊的優(yōu)異性能，該族中最高的室溫?zé)釋?dǎo)率60W/mK，最高的維氏硬度8GPa，以及楊氏模量316±2Gpa為M2AX中最大的等。這吸引了越來(lái)越多的材料研究工作者的關(guān)注。但是,關(guān)于Ti2SC的研究比這個(gè)族的其他化合物要少。2008年Kulkarni等利用同步加速器輻射X射線衍射和鉆石砧裝置研究了 Ti2SC的晶格參數(shù)與壓強(qiáng)的關(guān)系(參見(jiàn)文獻(xiàn) Shrinivas R.Kulkarni, R.Selva Vennila, Nishad A.Phatak, S.K.Saxena , C.S.Zhaj T.El-Raghyj M.W.Barsoumdj W.Luoj R.Ahuja, Study of Ti2SC under compressionup to 47GPa, Journal of Alloys and Compounds 448 (2008) L1- L4) ;2007 年 ShahramAmini等報(bào)道了利用Ti2SC粉末合成陶瓷的方法及其機(jī)械性能的研究(參見(jiàn)文獻(xiàn)ShahramAmini,Michel ff.Barsoum,and Tamer E1-Raghy, Synthesis and Mechanical Propertiesof Fully Dense Ti2SC,Journal of the American Ceramic Society,2007,3953 - 3958)。2008年，Y.L.Du et al利用第一性原理的計(jì)算方法研究了 Ti2SC的電子結(jié)構(gòu)和彈性性倉(cāng)泛(參見(jiàn)文獻(xiàn) Y.L.Du, Z.M.Sun, H.Hashimoto, W.B.Tian, First-principles study onelectronic structure and elastic properties of Ti2SC, Physics Letters A 372(2008) 5220 - 5223)。綜上所述，關(guān)于Ti2SC理論研究計(jì)算的文章很多，但是有關(guān)利用元素合成Ti2SC的方法的報(bào)道幾乎未見(jiàn)報(bào)道，特別是在高溫高壓條件下的合成。自從1955年Bundy等首次利用高溫高壓手段在實(shí)驗(yàn)室人工合成出只有在地球內(nèi)部條件下才能形成的、具有重大應(yīng)用價(jià)值的金剛石以后，高溫高壓合成的研究工作發(fā)展成為研究熱潮。高溫高壓實(shí)驗(yàn)方法有著許多常規(guī)方法不可能達(dá)到的特殊作用:可以阻止熱力學(xué)上不穩(wěn)定的起始原料的分解；有利于致密相的合成；可以降低合成溫度和縮短合成時(shí)間
坐寸ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種三元層狀碳化物Ti2SC材料 的制備方法，直接采用元素粉作為原料進(jìn)行原位燒結(jié)，以Al為助熔劑，降低了合成溫度，采用高溫高壓的燒結(jié)方法，有利于快速燒結(jié)合成Ti2SC材料。
本發(fā)明為解決上述提出的問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為:
一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，以Al為助劑利用高溫高壓合成方法來(lái)制備致密的Ti2SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:A1=2: (1.(Tl.4):1: (0.Γθ.2)。一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，其具體步驟如下:
(1)稱料:稱取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:Al=2: (1.(Tl.4):1: (0.Γθ.2)；
(2)將稱取的原料粉末混合均勻，烘干，預(yù)壓成型；
(3)燒結(jié):將成型好的樣品置于模具中，在高溫高壓爐中進(jìn)行燒結(jié)，再隨爐自然冷卻，即可得到三元層狀碳化物Ti2SC材料。按上述方案，所述燒結(jié)工藝條件為:以5(Tl50°C /min的升溫速率升至燒結(jié)溫度120(Tl600°C，保溫 1 0 60min，壓力為 2 6GPa。按上述方案，本發(fā)明制備得到的三元層狀碳化物Ti2SC材料，其性能指標(biāo)為:致密度彡99%，Ti2SC的含量彡80wt%,在INSTR0N-1195萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，材料的抗壓強(qiáng)度彡lOOOMPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度ob> 630MPa，斷裂韌性Kic彡6.4MP*m1/2，維氏硬度彡8GPa。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
(O本發(fā)明以Al為助熔劑，因?yàn)锳l的熔點(diǎn)較低，在高溫合成過(guò)程中形成液相，反應(yīng)物溶于其中，降低了合成溫度，有利于反應(yīng)合成Ti2SC,同時(shí)形成了低共熔點(diǎn)，所以合成溫度降低。(2)本發(fā)明采用高溫高壓的燒結(jié)方法，能有效地抑制S粉的揮發(fā)，有利于致密相Ti2SC的合成，而且升溫速率快，合成時(shí)間短，因?yàn)樵?-6GPa的高壓下，S的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)有很大的提高，就在很大程度上抑制了 S粉的揮發(fā)；根據(jù)對(duì)Ti2SC的熱力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果可知，在高壓條件下，對(duì)于反應(yīng)(TiS+TiC — Ti2SC)的吉布斯自由能Λ G是降低的，所以有利于合成反應(yīng)的進(jìn)行。(3)本發(fā)明直接采用元素粉作為原料進(jìn)行原位燒結(jié)，簡(jiǎn)化工藝、降低材料成本；由于S粉易揮發(fā)，在用熱壓或SPS合成Ti2SC時(shí)需要先將S粉與Ti粉合成TiS2,而在高壓條件下S粉的揮發(fā)得到了很好的抑制，所以直接材料元素粉進(jìn)行燒結(jié)。


圖1為實(shí)施例1制備的三元層狀碳化物Ti2SC材料的X射線衍射圖譜。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1
一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，以Al為助劑利用高溫高壓合成方法來(lái)制備致密的Ti2SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:A1=2:1.2:1:0.1，其具體步驟如下:
(I)稱料:稱取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:Al=2:l.2:1:0.1 ；(2)將稱取的原料粉末在酒精中混合均勻，烘干，放入鋼模具中預(yù)壓成型；
(3)燒結(jié):將成型好的樣品裝入葉臘石模具中，再放入高溫高壓爐中進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率150°C /min，燒結(jié)溫度1400°C，壓力為4GPa，保溫lh，再隨爐自然冷卻，即可得到三元層狀碳化物Ti2SC材料。根據(jù)圖1可知，按照本實(shí)施例的配比與燒結(jié)工藝制得的三元層狀碳化物Ti2SC材料單相致密，純度較高，只有少量的TiC雜質(zhì)。所得Ti2SC塊體材料致密度為99.5%，Ti2SC的含量為88wt%，在INSTR0N-1195萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，材料的抗壓強(qiáng)度為1200MPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度σ b為700MPa，斷裂韌性Krc為7MP*m1/2，維氏硬度為9GPa。實(shí)施例2
一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，以Al為助劑利用高溫高壓合成方法來(lái)制備致密的Ti2SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:A1=2:1.0:1:0.1，其具體步驟如下:
(1)稱料:稱取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:Al=2:l.0:1:0.1 ；
(2)將稱取的原料粉末在酒精中混合均勻，烘干，放入鋼模具中預(yù)壓成型；
(3)燒結(jié):將成型好的樣品裝入葉臘石模具中，再放入高溫高壓爐中進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率100°C /min，燒結(jié)溫度1200°C，壓力為6GPa，保溫lOmin，再隨爐自然冷卻，即可得到三元層狀碳化物Ti2SC材料。所得到的Ti2SC材料致密度為99.2%，Ti2SC的含量為80wt%，在INSTR0N-1195萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，材料的抗壓強(qiáng)度為1050MPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度σ b為630MPa，斷裂韌性Kic為6.4MP*m1/2，維氏硬度為8GPa。實(shí)施例3
一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，以Al為助劑利用高溫高壓合成方法來(lái)制備致密的Ti2SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:A1=2:1.1:1:0.2，其具體步驟如下:
(1)稱料:稱取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:Al=2:l.1:1:0.2 ；
(2)將稱取的原料粉末在酒精中混合均勻，烘干，放入鋼模具中預(yù)壓成型；
(3)燒結(jié):將成型好的樣品裝入葉臘石模具中，再放入高溫高壓爐中進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率100°C /min，燒結(jié)溫度1300°C，壓力為4GPa，保溫30min，再隨爐自然冷卻，即可得到三元層狀碳化物Ti2SC材料。所得到的Ti2SC材料致密度為99.2%，Ti2SC的含量為84wt%，在INSTR0N-1195萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，材料的抗壓強(qiáng)度為llOOMPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度σ b為670MPa，斷裂韌性Kic為6.6MP*m1/2，維氏硬度為8.5GPa。實(shí)施例4
一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，以Al為助劑利用高溫高壓合成方法來(lái)制備致密的Ti2SC材料，其原料包括Ti粉， S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:A1=2:1.2:1:0.2，其具體步驟如下:(1)稱料:稱取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:Al=2:l.2:1:0.2 ；
(2)將稱取的原料粉末在酒精中混合均勻，烘干，放入鋼模具中預(yù)壓成型；
(3)燒結(jié):將成型好的樣品裝入葉臘石模具中，再放入高溫高壓爐中進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率150°C /min，燒結(jié)溫度1500°C，壓力為4GPa，保溫30min，再隨爐自然冷卻，即可得到三元層狀碳化物Ti2SC材料。所得Ti2SC材料致密度為99.2%，Ti2SC的含量為85wt%，在INSTR0N-1195萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，材料的抗壓強(qiáng)度為llOOMPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度σ b為660MPa，斷裂韌性Krc為6.5MP*m1/2，維氏硬度為8.5GPa。實(shí)施例5
一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，以Al為助劑利用高溫高壓合成方法來(lái)制備致密的Ti2SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:A1=2:1.3:1:0.1，其具體步驟如下:
(1)稱料:稱取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:Al=2:l.3:1:0.1 ；
(2)將稱取的原料粉末在酒精中混合均勻，烘干，放入鋼模具中預(yù)壓成型；
(3)燒結(jié):將成型好的樣品裝入葉臘石模具中，再放入高溫高壓爐中進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率150°C /min，燒結(jié)溫度1500°C，壓力為3GPa，保溫40min，再隨爐自然冷卻，即可得到三元層狀碳化物Ti2SC材料。

所得Ti2SC材料致密度為99%，Ti2SC的含量為85wt%，在INSTR0N-1195萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，材料的抗壓強(qiáng)度為1150MPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度σ b為680MPa，斷裂韌性Kic為6.5MP*m1/2，維氏硬度為 8.5GPa。實(shí)施例6
一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，以Al為助劑利用高溫高壓合成方法來(lái)制備致密的Ti2SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:A1=2:1.4:1:0.2，其具體步驟如下:
(1)稱料:稱取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為Ti:S:C:Al=2:l.4:1:0.2 ；
(2)將稱取的原料粉末在酒精中混合均勻，烘干，放入鋼模具中預(yù)壓成型；
(3)燒結(jié):將成型好的樣品裝入葉臘石模具中，再放入高溫高壓爐中進(jìn)行燒結(jié)，升溫速率150°C /min，燒結(jié)溫度1600°C，壓力為2GPa，保溫30min，再隨爐自然冷卻，即可得到三元層狀碳化物Ti2SC材料。所得Ti2SC材料致密度為99%，Ti2SC的含量為82wt%，在INSTR0N-1195萬(wàn)能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)得，材料的抗壓強(qiáng)度為lOOOMPa，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度σ b為650MPa，斷裂韌性Kic為
6.4MP*m1/2，維氏硬度為 8GPa。本發(fā)明所列舉的各原料，以及本發(fā)明各原料的上下限、區(qū)間取值，以及工藝參數(shù)(如溫度、時(shí)間等)的上下限、區(qū)間取值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，在此不一一列舉實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，其特征在于以Al為助劑利用高溫高壓合成方法來(lái)制備致密的Ti2SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為 Ti S C A1=2: (I. (Tl. 4) :1: (O. Γθ. 2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下 (1)稱料稱取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為TiS C Al=2: (I. (Tl. 4) :1: (O. Γθ. 2)； (2)將稱取的原料粉末混合均勻，烘干，預(yù)壓成型； (3)燒結(jié)將成型好的樣品置于高溫高壓條件下進(jìn)行燒結(jié)，再自然冷卻，即可得到三元層狀碳化物Ti2SC材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，其特征在于所述燒結(jié)工藝條件為以5(Tl50°C /min的升溫速率升至燒結(jié)溫度120(Tl60(TC，保溫10 60min，壓力為2 6GPa。
4.權(quán)利要求f3所述的制備方法得到三元層狀碳化物Ti2SC材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三元層狀碳化物Ti2SC材料的制備方法，以Al為助劑利用高溫高壓合成方法來(lái)制備致密的Ti2SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四種原料的摩爾配比為TiSCAl=2:(1.0~1.4):1:(0.1~0.2)。本發(fā)明合成的Ti2SC塊體材料結(jié)構(gòu)致密，Ti2SC的含量在80wt％以上；以Al為助劑可降低熔點(diǎn)；采用高溫高壓的燒結(jié)方法，可很大程度地抑制S粉的揮發(fā)，有利于快速燒結(jié)合成Ti2SC材料。
文檔編號(hào)C01B31/26GK103253667SQ201310131049
公開(kāi)日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月16日
發(fā)明者宋京紅, 涂勇威, 梅炳初, 朱文彬 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)