專利名稱:一種鋁碳化鈦/硅化鈦復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)顆粒增強鋁碳化鈦(Ti3AlC2)基復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1材料學報(Acta Materialia50，3141(2002))中Wang等人研究表明它綜合了陶瓷和金屬的諸多優(yōu)點，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，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度的有效方法之一。作為一種引入顆粒增強相的方法，原位合成具有相界面潔凈、力學性能好等優(yōu)點；另外，由于增強相是原位合成的，與先制備出增強相，再和基體機械混合相比，制備成本大為降低。目前還沒有有關(guān)原位顆粒增強Ti3AlC2的報道。相關(guān)文獻集中在對另一種與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)的復合材料原位制備上，如文獻2材料快報(Scripta Materialia 34，1809(1996))中Radhakrishnan等人報道了原位制備的Ti3SiC2/SiC復合材料，其硬度和斷裂韌度有所提高；文獻3合金與化合物期刊(Journal of Alloys and Compounds 350，303(2003))中Ho-Duc等人報道了基體為Ti3SiC2，并含有30％體積份數(shù)TiC或SiC的復合材料，其結(jié)果表明兩種復合材料的抗彎強度均比未增強的Ti3SiC2基體低，說明增強效果并不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種力學性能好、操作簡單、工藝條件容易控制、成本低的鋁碳化鈦/硅化鈦復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/硅化鈦復合材料，由硅化鈦顆粒增強相和鋁碳化鈦基體組成，其中硅化鈦顆粒增強相的體積百分數(shù)為10～40％。
所述原位合成鋁碳化鈦/硅化鈦復合材料的制備方法，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)物理機械方法混合8～24小時，裝入石墨模具中冷壓，施加的壓強為10～20MPa，在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為10～50℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1400～1600℃、燒結(jié)時間為0.5～2小時、燒結(jié)壓強為20～40MPa。本發(fā)明可以原位制備出具有較高強度的Ti3AlC2/Ti5Si3復合材料。
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)；所述情性氣體為氬氣、氦氣或氖氣；所述物理機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)點是1、增強相與基體間的界面純凈，力學性能好。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鋁碳化鈦基體。該復合材料的硬度、壓縮強度、抗彎強度均比純Ti3AlC2有較大幅度的提高。由于硅化鈦(Ti5Si3)具有非常高的熔點(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相。
2、工藝簡單，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，作為增強相，而鋁碳化鈦(Ti3AlC2)基體也同時熱壓反應(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，使化學反應(yīng)時間大大縮短，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/硅化鈦復合材料既保持了鋁碳化鈦基體的諸多優(yōu)點，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，同時又提高了強度，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復合材料抗彎強度隨硅加入量的變化。隨著硅加入量的增加，抗彎強度也逐漸增加。
具體實施方式
下面通過實例詳述本發(fā)明。
實施例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，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為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，同時壓力逐漸加到25MPa。整個燒結(jié)過程都是在氬氣保護下進行。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％。該復合材料的維氏硬度為3.49GPa(載荷為10N)，壓縮強度為819MPa，斷裂韌度為7.87MPa·m1/2。
實施例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，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為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，同時壓力逐漸加到30MPa。整個燒結(jié)過程都是在氬氣保護下進行。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％。該復合材料的維氏硬度為3.79GPa，壓縮強度為919MPa，斷裂韌度為7.09MPa·m1/2。
實施例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，同時壓力逐漸加到20MPa。整個燒結(jié)過程都是在氬氣保護下進行。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％。該復合材料的維氏硬度為4.37GPa，壓縮強度為966MPa，斷裂韌度為7.96MPa·m1/2。
比較例采用與實施例1相同的工藝制備了純Ti3AlC2，測得的維氏硬度為3.07GPa；壓縮強度為671MPa；斷裂韌度為8.15MPa·m1/2?？梢姡僒i3AlC2的斷裂韌度與Ti3AlC2/Ti5Si3復合材料基本相當，而硬度和壓縮強度均比純Ti3AlC2高。更為重要的的是，抗彎強度的測試結(jié)果表明，各種復合材料均比純Ti3AlC2要高，如圖2所示。這與背景技術(shù)中文獻3提到的原位TiC或SiC顆粒增強Ti3SiC2的情況明顯不同，他們的結(jié)果是復合材料的抗彎強度反而更低。
由實施例1、實施例2、實施例3和比較例可見，本方法制備的Ti3AlC2/Ti5Si3復合材料具有純度高、力學性能好等優(yōu)點，并首次實現(xiàn)了對該類三元層狀陶瓷的原位顆粒增強。
權(quán)利要求
1.一種鋁碳化鈦/硅化鈦復合材料，其特征在于由硅化鈦顆粒增強相和鋁碳化鈦基體組成，其中硅化鈦顆粒增強相的體積百分數(shù)為10～40％。
2.按照權(quán)利要求
1所述鋁碳化鈦/硅化鈦復合材料的制備方法，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)物理機械方法混合8～24小時，裝入石墨模具中，施加的壓強為10～20MPa，在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)，升溫速率為10～50℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1400～1600℃、燒結(jié)時間為0.5～2小時、燒結(jié)壓強為20～40MPa。
3.按照權(quán)利要求
2所述鋁碳化鈦/硅化鈦復合材料的制備方法，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/硅化鈦復合材料的制備方法，其特征在于所述物理機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。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種原位合成硅化鈦(Ti
文檔編號C04B35/565GKCN1317228SQ200410082975
公開日2007年5月23日 申請日期2004年12月15日
發(fā)明者周延春, 陳繼新 申請人:中國科學院金屬研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2),