專利名稱：一種鋁碳化鈦－碳化鈦/氧化鋁復(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，具體為一種原位合成氧化鋁(Al2O3)和碳化鈦(TiC)顆粒增強鋁碳化鈦(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1材料學(xué)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(xué)性能好等優(yōu)點；另外，由于增強相是原位合成的，與通常的先制備出增強相，再和基體機械混合方法相比，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(fù)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(fù)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(fù)合材料，其結(jié)果表明兩種復(fù)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(xué)性能好、操作簡單、工藝條件容易控制、成本低的鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種原位合成鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料，由氧化鋁顆粒增強相、碳化鈦顆粒增強相和鋁碳化鈦基體組成。氧化鋁顆粒增強相的體積百分數(shù)為10～53％；碳化鈦顆粒增強相的體積百分數(shù)為20～60％，鋁碳化鈦基體的體積百分數(shù)為10-60％。
所述原位合成鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料的制備方法，是通過調(diào)整原料配比和合成溫度，制備出不同體積含量的鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料。原料采用二氧化鈦粉(TiO2)、鋁粉(Al)和石墨(C)粉，TiO2∶Al∶C的摩爾比為3∶(4.9～5.1)∶(1.8～2.0)。原料粉末經(jīng)物理機械方法混合8～24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，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900～1600℃、燒結(jié)時間為0.5～2小時、燒結(jié)壓強為20～40MPa。本發(fā)明可以在較低溫度原位制備出具有較高強度的Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料。
所述加入的二氧化鈦粉為納米粉，粒度范圍為15～80納米，晶型為銳鈦礦或金紅石型；鋁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)或壓力輔助燃燒合成；所述惰性氣體為氬氣、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(xué)性能好。采用本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)原位合成氧化鋁顆粒和碳化鈦顆粒同時增強鋁碳化鈦基體。該復(fù)合材料的硬度和抗彎強度均比純的鋁碳化鈦有較大幅度的提高。
2、工藝簡單，成本低。在升溫過程中，超過某一溫度(如900℃)后，納米二氧化鈦將與鋁粉發(fā)生鋁熱反應(yīng)，瞬間放熱達到的高溫將使原本只有在更高溫度條件下才能出現(xiàn)的鋁碳化鈦得以生成。這就使得合成溫度大大降低，從而降低了燒結(jié)成本。進一步提高溫度是為了使反應(yīng)進行得更徹底。
3、鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料具有低密度、高模量、高硬度和高韌性等特點，同時強度又有所提高，因而不僅可以作為航空、航天結(jié)構(gòu)材料，也可以考慮作為一種切削刀具材料使用，因為碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料本身就是一種重要的刀具材料。這里層狀鋁碳化鈦的存在將能夠改善材料斷裂韌性。


圖1不同原料配比的Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料的X射線衍射譜(a)3TiO2-5Al-2C，(b)3TiO2-5.1Al-1.9C和(c)3TiO2-5.1Al-1.8C。
圖2Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料的斷口照片，層狀的Ti3AlC2清晰可見。
具體實施例方式
下面通過實施例詳述本發(fā)明。
實施例1將粒度為15納米的銳鈦礦二氧化鈦粉15.03克、粒度為200目的鋁粉8.46克和粒度為400目的石墨粉1.51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1000℃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、TiC和Al2O3三相，如圖1(a)所示。定量相分析表明Al2O3的體積含量約為50％，TiC的體積含量約為35％。
實施例2將粒度為30納米的銳鈦礦二氧化鈦粉22.47克、粒度為300目的鋁粉12.90克和粒度為400目的石墨粉2.15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Ti3AlC2、TiC和Al2O3三相，如圖1(b)所示。定量相分析表明Al2O3的體積含量約為48％，TiC的體積含量約為27％。
實施例3將粒度為50納米的金紅石二氧化鈦粉30.04克、粒度為400目的鋁粉17.24克和粒度為200目的石墨粉2.72克在酒精介質(zhì)的球磨罐中球磨24小時，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為20MPa，放入熱壓爐中壓力輔助燃燒合成。所謂壓力輔助燃燒合成是指反應(yīng)物在達到某一溫度后將開始燃燒，燃燒放出的熱量會使反應(yīng)自發(fā)進行，與此同時，需施加一定外力使之致密化。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Ti3AlC2、TiC和Al2O3三相，如圖1(c)所示。定量相分析表明Al2O3的體積含量約為52％，TiC的體積含量約為21％。
比較例采用與實施例2相同的熱壓工藝制備了純Ti3AlC2，測得的維氏硬度為3.1GPa；抗彎強度為340MPa；而實施例2中所得Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料的維氏硬度為13.3GPa，是純Ti3AlC2的4.3倍；抗彎強度為466MPa，比純Ti3AlC2提高了37％。這一結(jié)果表明Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料的制備成功實現(xiàn)了對Ti3AlC2的強化，可以使Ti3AlC2的應(yīng)用范圍進一步拓寬。
由實施例1、實施例2、實施例3和比較例可見，當(dāng)原料為二氧化鈦粉、鋁粉和石墨粉時，產(chǎn)物中可以出現(xiàn)層狀可加工陶瓷Ti3AlC2相(見圖2)。本方法制備的Ti3AlC2-TiC/Al2O3復(fù)合材料同時具有純度高、合成溫度低、力學(xué)性能好等優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料，其特征在于由氧化鋁顆粒增強相、碳化鈦顆粒增強相和鋁碳化鈦基體組成，其中氧化鋁顆粒增強相的體積百分數(shù)為10～53％；碳化鈦顆粒增強相的體積百分數(shù)為20～60％，鋁碳化鈦基體的體積百分數(shù)為10-60％。
2.按照權(quán)利要求1所述鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于原料為納米二氧化鈦粉、鋁粉和石墨粉，TiO2∶Al∶C的摩爾比為3∶(4.9～5.1)∶(1.8～2.0)；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成型，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900～1600℃、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-碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所加入的二氧化鈦粉為納米粉，粒度范圍為15～80納米，晶型為銳鈦礦或金紅石型；鋁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-碳化鈦/氧化鋁復(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)或壓力輔助燃燒合成。
5.按照權(quán)利要求2所述鋁碳化鈦-碳化鈦/氧化鋁復(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-碳化鈦/氧化鋁復(fù)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。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種原位合成鋁碳化鈦－碳化鈦/氧化鋁復(fù)合材料及其制備方法。復(fù)合材料由氧化鋁顆粒增強相、碳化鈦顆粒增強相和鋁碳化鈦基體組成，其中氧化鋁顆粒增強相的體積百分數(shù)為10～53％；碳化鈦顆粒增強相的體積百分數(shù)為20～60％，鋁碳化鈦基體的體積百分數(shù)為10－60％。制備方法原料為納米二氧化鈦粉、鋁粉和石墨粉，TiO
文檔編號C04B35/565GK1970498SQ200510047788
公開日2007年5月30日 申請日期2005年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月23日
發(fā)明者周延春, 陳繼新 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所