專利名稱：在真空狀態(tài)下制備高純度鈦硅碳陶瓷粉體的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷粉體的制備方法，屬于高性能陶瓷材料技術領域。
背景技術：
鈦硅碳(Ti3SiC2)是一種具有層狀結構的三元碳化物，這種材料結合了金屬材料和高性能陶瓷材料的許多優(yōu)良特性，近年來一直是人們研究的熱點。鈦硅碳(Ti3SiC2)材料擁有像金屬一樣的優(yōu)良的導電和導熱性能；相對較軟，常溫下有良好的可加工性；高溫下具有塑性良好的抗熱震性能和抗氧化性；特殊的層狀結構使其擁有自潤滑性能。特殊的性能使這種新型陶瓷材料具有優(yōu)秀的應用前景。
如何利用簡易、低廉的方法獲得高純度量的鈦硅碳(Ti3SiC2)材料一直是這種材料的研究熱點。目前鈦硅碳(Ti3SiC2)的制備方法主要有自蔓延反應法、熱壓原位合成法、熱等靜壓法、SPS合成法等，但仍無法完全解決提高Ti3SiC2純度的問題，合成出的鈦硅碳(Ti3SiC2)材料中仍含有TiC、SiC、TiSi2等物質。M.W.Barsoum與T.El-Raghy以Ti粉、C粉、SiC粉為原料，利用熱壓合成法，在1600℃Ar氣氣氛下，熱壓壓力40MPa，并保溫4小時，得到了Ti3SiC2體積分數(shù)大于98％的塊體材料。但是，這種工藝較為復雜，制備成本較高。另外，熱壓合成法也不試用于制備各種形狀復雜、較大尺寸的材料，也不適合制備各種含鈦硅碳(Ti3SiC2)的復合材料。
隨著鈦硅碳陶瓷及其復合材料的研究開發(fā)的不斷深入和應用的迅速發(fā)展，市場對高品質陶瓷粉體需求的日益增大也促進了高純度鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體的合成技術的不斷發(fā)展。中國發(fā)明專利申請公開號CN1245155A提出了“一種鈦碳化硅粉末的制備方法”，以Si、Ti和石墨粉為原料，添加2～10wt％NaF或AlF3·NaF為合成助劑，在惰性氣氛下1200～1300℃保溫1～4小時，最后所得反應產(chǎn)物中Ti3SiC2的含量為93～95％，粉體中仍含有各種雜質，并有較多NaF或AlF3·NaF以各種形式的殘留在粉末中。中國發(fā)明專利申請公開號CN1594210A提出的“一種制備鈦硅碳陶瓷粉的方法”，以Ti、Si、C三種粉末按摩爾配比3∶(1～2)∶(1.5～2)混合并在真空下球磨，得到的粉體經(jīng)過酸洗、水洗、氧化等各種后續(xù)處理工藝得到較純的Ti3SiC2粉體，工藝步驟復雜，對工藝的要求較高，難以實現(xiàn)工業(yè)化連續(xù)、高效制備陶瓷粉體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種在真空狀態(tài)下制備高純度鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體的方法，該制備工藝簡單、生產(chǎn)成本較低、適合規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
本發(fā)明提出的在真空狀態(tài)下制備高純度鈦硅碳陶瓷粉體的方法，其特征在于所述方法以碳化鈦粉、鈦粉、硅粉為原料，其摩爾比配比為碳化鈦粉∶鈦粉∶硅粉＝2∶1～1.3∶1.1～1.5；利用真空合成技術合成制備高純度鈦硅碳粉體，所述粉體中鈦硅碳相的體積分數(shù)大于97％，TiC等雜質含量低于3％。
在上述制備方法中，所述方法包括以下步驟(1)將碳化鈦粉、鈦粉、硅粉按比例配料；(2)將上述配好的料球磨混合，蒸發(fā)烘干后，研磨過100目篩；(3)將干燥過篩后的混合粉料，放入真空反應爐中，預抽真空至5～20Pa，按照升溫速度不大于50℃/分鐘升溫至1300～1400℃，在1300～1400℃溫度范圍真空下保溫1～2小時，然后自然冷卻至室溫，研磨篩細后，得到高純度鈦硅碳Ti3SiC2粉體。
本發(fā)明提出的制備高純度鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體的方法，其優(yōu)點具體體現(xiàn)在以下幾個方面1、制備過程中無需添加各種反應助劑，保證了反應產(chǎn)物Ti3SiC2相的純度和鈦硅碳(Ti3SiC2)材料的優(yōu)異性能不受影響。
2、利用真空高溫反應技術制備高純鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體，真空在材料合成過程中有以下作用一、凈化和活化反應物顆粒表面，促進了顆粒間蒸發(fā)-凝聚傳質過程，加速了固相反應的順利進行；二、真空環(huán)境促進了TiC參與反應進一步生成Ti3SiC2，從而降低了產(chǎn)物中TiC相的含量，以達到制備高純鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體的目的。
3、一次合成產(chǎn)物純度高，鈦硅碳(Ti3SiC2)含量大于體積分數(shù)97％，雜質含量少，無需后處理工藝進一步提純，工藝簡單，節(jié)省了工序和能耗物耗，提高了生產(chǎn)效率，適于規(guī)?；a(chǎn)。


圖1本發(fā)明反應產(chǎn)物粉體X射線衍射圖譜。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步說明本發(fā)明制備鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體的方法，包括以下各步驟(1)將原料TiC粉、Ti粉、Si粉按照摩爾比2∶(1～1.3)∶(1.1～1.5)的比例配料；(2)將上述配料以無水乙醇為研磨介質，加入瑪瑙球或硬質合金磨球，球磨24小時，蒸發(fā)烘干后，研磨過篩；
(3)將干燥過篩后的混合粉料放入氧化鋁坩鍋，置于真空反應爐中，預抽真空至5～20Pa，按照升溫速度不大于50℃/分鐘升溫至1300～1400℃，在1300～1400℃溫度范圍真空下保溫1～2小時，然后自然冷卻至室溫，研磨篩細后，得到所要求的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
實施例1稱取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉16.78克，加入90ml無水乙醇作為球磨介質，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應爐中，預抽真空至15Pa，以40℃/分鐘的升溫速率升溫至1350℃，保溫1小時，隨爐自然冷卻至室溫，將反應生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量98.2％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。所得粉體的XRD圖譜如附1，可以看出基本只有Ti3SiC2相的衍射峰。
實施例2稱取TiC粉53.25克、Ti粉24.65克、Si粉15.43克，加入90ml無水乙醇作為球磨介質，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應爐中，預抽真空至15Pa，以40℃/分鐘的升溫速率升溫至1300℃，保溫2小時，隨爐自然冷卻至室溫，將反應生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.7％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
實施例3稱取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉16.18克，加入90ml無水乙醇作為球磨介質，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應爐中，預抽真空至20Pa，以40℃/分鐘的升溫速率升溫至1350℃，保溫2小時，隨爐自然冷卻至室溫，將反應生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.4％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
實施例4稱取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉16.78克，加入90ml無水乙醇作為球磨介質，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應爐中，預抽真空至20Pa，以40℃/分鐘的升溫速率升溫至1400℃，保溫1小時，隨爐自然冷卻至室溫，將反應生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.2％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
實施例5稱取TiC粉53.25克、Ti粉25.75克、Si粉17.24克，加入90ml無水乙醇作為球磨介質，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應爐中，預抽真空至5Pa，以20℃/分鐘的升溫速率升溫至1300℃，保溫2小時，隨爐自然冷卻至室溫，將反應生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量98.6％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
實施例6稱取TiC粉53.25克、Ti粉24.65克、Si粉15.43克，加入90ml無水乙醇作為球磨介質，并加入250g瑪瑙磨球，球磨24小時。將球磨后混料蒸發(fā)、烘干，研磨破碎后過100目篩，放入氧化鋁坩堝中加蓋，將坩堝連同混合粉體放入真空反應爐中，預抽真空至5Pa，以20℃/分鐘的升溫速率升溫至1300℃，保溫2小時，隨爐自然冷卻至室溫，將反應生成物取出并破碎研磨，得到Ti3SiC2相含量97.5％(體積百分比)的鈦硅碳(Ti3SiC2)粉體。
權利要求
1.在真空狀態(tài)下制備高純度鈦硅碳陶瓷粉體的方法，其特征在于所述方法以碳化鈦粉、鈦粉、硅粉為原料，其摩爾比配比為碳化鈦粉∶鈦粉∶硅粉＝2∶1～1.3∶1.1～1.5；利用真空合成技術合成制備高純度鈦硅碳粉體，所述粉體中鈦硅碳相的體積分數(shù)大于97％，TiC等雜質含量低于3％。
2.根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1)將碳化鈦粉、鈦粉、硅粉按比例配料；(2)將上述配好的料球磨混合，蒸發(fā)烘干后，研磨過100目篩；(3)將干燥過篩后的混合粉料，放入真空反應爐中，預抽真空至5～20Pa，按照升溫速度不大于50℃/分鐘升溫至1300～1400℃，在1300～1400℃溫度范圍真空下保溫1～2小時，然后自然冷卻至室溫，研磨篩細后，得到高純度鈦硅碳Ti3SiC2粉體。
全文摘要
在真空狀態(tài)下制備高純度鈦硅碳陶瓷粉體的方法，屬于高性能陶瓷材料技術領域。其特征在于以TiC粉、Ti粉、Si粉為原料，按照摩爾比TiC∶Ti∶Si＝2∶(1～1.3)∶(1.1～1.5)的比例配料，球磨混合，烘干過篩后，放入氧化鋁坩堝中，置于真空反應爐，預抽真空至5～20Pa，以不大于50℃/分鐘的升溫速度升溫至1300～1400℃，在1300～1400℃范圍內(nèi)真空下保溫1～2小時，自然冷卻至室溫，得到Ti
文檔編號C04B35/56GK1778767SQ200510086689
公開日2006年5月31日 申請日期2005年10月21日 優(yōu)先權日2005年10月21日
發(fā)明者潘偉, 韓若冰 申請人:清華大學