一種無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳（Ti3SiC2）陶瓷塊體材料的方法，該方法具體為：將原料裝入模具中，在20MPa～80MPa的壓力下冷壓成坯體，然后在150MPa～300MPa的壓力下冷等靜壓成型，再將成型后的樣品包埋在鈦硅碳粉或者SiC粉中以后放入無(wú)壓燒結(jié)爐中，在惰性氣體保護(hù)條件或真空條件下以2℃/min～100℃/min的升溫速率加熱至1200℃～1700℃燒結(jié)0.1小時(shí)～4小時(shí)，得到鈦硅碳?jí)K體陶瓷材料。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，本發(fā)明結(jié)合冷壓成坯、冷等靜壓成型，以及無(wú)壓燒結(jié)的工藝，在低成本、低能耗的條件下制得了致密的鈦硅碳陶瓷塊體材料，并且塊體材料的形狀多樣，因此是一種具有良好應(yīng)用前景的制備方法。
【專利說(shuō)明】一種無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高溫結(jié)構(gòu)陶瓷的制備技術(shù)，特別提供了一種無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷 塊體材料的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 三元層狀MAX相(其中Μ為過(guò)渡族金屬元素，A為IIIA或IVA族元素，X為C或N) 陶瓷是一類新型高溫結(jié)構(gòu)材料，近年來(lái)備受關(guān)注。這類陶瓷結(jié)合了金屬和陶瓷的許多優(yōu)良 特性，如低密度、高強(qiáng)度、高模量、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、可加工、良好的抗損傷容限及抗熱震性能、良 好的高溫抗氧化性及化學(xué)穩(wěn)定性等等。這些優(yōu)異的性能使得MAX相陶瓷在化工、機(jī)械、電子 以及航空航天等高【技術(shù)領(lǐng)域】具有廣闊的應(yīng)用前景，例如作為高溫結(jié)構(gòu)材料用于航空發(fā)動(dòng)機(jī) 的渦輪葉片和定子上；作為自潤(rùn)滑材料制作成新一代交流電機(jī)的電刷；以及作為熔煉金屬 的電極材料使用。最新研究還表明：MAX相陶瓷材料(如Ti 3AlC2和Ti3SiC2)具有良好的抗 輻照損傷性能，有望作為第一壁材料和偏濾器材料應(yīng)用于新一代核反應(yīng)堆中。
[0003] 然而，塊體材料往往制備困難，這在很大程度上限制了 MAX相陶瓷的廣泛應(yīng)用。目 前MAX相陶瓷塊體材料的制備通常伴隨著較大的壓力，如熱壓（HP)、熱等靜壓（HIP)、放電 等離子燒結(jié)（SPS)等等。這些方法成本高、能耗大，而且難以制備異型件，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化 生產(chǎn)。因此，為了促進(jìn)MAX相陶瓷的進(jìn)一步應(yīng)用，開(kāi)發(fā)低成本制備工藝(如凈尺寸成型及無(wú) 壓燒結(jié)）成為亟待解決的迫切問(wèn)題。
[0004] 11351(：2是MAX相陶瓷中研究得最為廣泛的材料之一，迄今為止，這種陶瓷的無(wú)壓 燒結(jié)仍存在較大困難，如何抑制燒結(jié)過(guò)程中Ti 3SiC2的分解是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)目的是針對(duì)現(xiàn)有MAX相陶瓷塊體材料的制備過(guò)程中由于需要較大 熱壓而導(dǎo)致的成本高、能耗大等問(wèn)題，提供一種無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳（Ti 3SiC2)陶瓷塊體材 料的方法，該方法能夠大大降低鈦硅碳陶瓷塊體材料的制備成本與能耗，以實(shí)現(xiàn)鈦硅碳陶 瓷塊體材料的大規(guī)模生產(chǎn)。
[0006] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為：一種無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊 體材料的方法，具體步驟如下：
[0007] 以鈦硅碳粉為原料，將原料裝入模具中，在20MPa?80MPa的壓力下冷壓成坯體， 然后在150MPa?300MPa的壓力下冷等靜壓成型，再將成型后的樣品包埋在鈦硅碳粉或者 SiC粉中以后放入無(wú)壓燒結(jié)爐中，在惰性氣體保護(hù)條件或真空條件下以2°C /min?100°C / min的升溫速率加熱至1200°C /min?1700°C燒結(jié)0. 1小時(shí)?4小時(shí)，得到鈦硅碳?jí)K體陶瓷 材料。
[0008] 所述的鈦娃碳原料粉的質(zhì)量純度優(yōu)選大于等于95%，可以包括少量雜質(zhì)，例如固溶 鋁、TiC雜質(zhì)等；
[0009] 所述的鈦硅碳原料粉粒度優(yōu)選為50?1000目；
[0010] 所述的模具材料不限，包括但不限于不銹鋼等。
[0011] 所述的無(wú)壓燒結(jié)爐指燒結(jié)過(guò)程中對(duì)燒結(jié)材料不施加壓力的燒結(jié)設(shè)備，包括但不限 于管式爐、馬弗爐、微波燒結(jié)爐等。
[0012] 所述的惰性氣體包括但不限于氬氣、氦氣等；
[0013] 作為優(yōu)選，在30MPa?50MPa的壓力下冷壓成坯體；
[0014] 作為優(yōu)選，在200MPa?300MPa的壓力下冷等靜壓成型；
[0015] 作為優(yōu)選，所述的升溫速率為5°C /min?50°C /min,進(jìn)一步優(yōu)選為10°C /min? 30 °C /min ；
[0016] 作為優(yōu)選，所述的加熱溫度為1300°C /min?1500°C，所述的燒結(jié)時(shí)間為0. 5小 時(shí)?2小時(shí)。
[0017] 綜上所述，本發(fā)明以1135冗2粉為原料，結(jié)合冷壓成坯、冷等靜壓成型，以及無(wú)壓燒 結(jié)的工藝，通過(guò)優(yōu)化工藝條件，制得了致密的鈦硅碳陶瓷塊體材料，同時(shí)，為了抑制了燒結(jié) 過(guò)程中Ti 3SiC2的分解，采用將成型后的鈦硅碳樣品包埋在Ti3SiC2粉或者SiC粉中的方法 而獲得了高純度的鈦硅碳陶瓷塊體材料。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，采用本發(fā)明的方法在低成本、低能耗的 條件下制得了致密的鈦硅碳陶瓷塊體材料，其晶粒尺寸達(dá)到5 μ m?100 μ m，并且塊體材料 的形狀多樣，即能夠制得片狀、條狀、環(huán)狀等多種形狀的陶瓷塊體材料，其中片狀材料的尺 寸能夠達(dá)到Φ (13?100) X (2?50)mm3。因此，與現(xiàn)有的制備方法相比，本發(fā)明提供的制 備方法大大降低了鈦硅碳陶瓷塊體材料的制備成本與能耗，并且實(shí)現(xiàn)了該塊體材料的形狀 多樣化，是一種具有良好應(yīng)用前景的制備方法。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的鈦硅碳陶瓷塊體材料的外觀圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中制得的鈦硅碳陶瓷塊體材料的X-射線衍射圖譜；
[0020] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中制得的鈦硅碳陶瓷塊體材料的斷口掃描電鏡照片。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所述實(shí)施 例旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
[0022] 實(shí)施例1 :
[0023] 原料采用粒度為300目左右的鈦硅碳粉，該鈦硅碳粉質(zhì)量純度為95%，其中含少量 固溶鋁雜質(zhì)，將原料裝入直徑為15mm的圓柱型不銹鋼模具中，在50MPa的壓力下冷壓成坯 體，然后在250MPa壓力下冷等靜壓成型。將成型后的樣品包埋在鈦硅碳粉中，放入微波燒 結(jié)爐中，在通有氬氣保護(hù)的條件下以20°C /min的升溫速率加熱至1400°C，燒結(jié)1小時(shí)，得 到如圖1所示的鈦硅碳片狀塊體材料，由于燒結(jié)后樣品直徑略有收縮，該塊體材料的直徑 為13. 5_，厚度為3. 2_，即尺寸為Φ 13. 5 X 3. 2mm3。
[0024] 將上述制得的鈦硅碳?jí)K體材料進(jìn)行X-射線衍射分析，結(jié)果如圖2所示，其主要成 分為Ti 3SiC2，此外還有少量氧化物存在，未發(fā)現(xiàn)Ti3SiC2的分解產(chǎn)物TiC。
[0025] 上述制得的鈦硅碳?jí)K體材料的斷口掃描電鏡照片如圖3所示，可以看出該塊體燒 結(jié)材料結(jié)構(gòu)致密。對(duì)該鈦硅碳?jí)K體材料進(jìn)行密度測(cè)試，測(cè)試方法為阿基米德法，得到該塊體 燒結(jié)產(chǎn)物的致密度為95. 15%。
[0026] 實(shí)施例2 :
[0027] 原料采用粒度為300目左右的鈦硅碳粉，該鈦硅碳粉質(zhì)量純度為96%，其中含少量 TiC雜質(zhì)，將原料裝入直徑為15mm的圓柱型不銹鋼模具中，在30MPa的壓力下冷壓成坯體， 然后在300MPa壓力下冷等靜壓成型。將成型后的樣品包埋在鈦硅碳粉中以后放入無(wú)壓燒 結(jié)爐中，在通有氬氣保護(hù)的條件下以l〇°C /min的升溫速率加熱至1600°C，燒結(jié)2小時(shí)，得 到類似圖1所示的片狀鈦硅碳?jí)K體材料，該塊體材料的尺寸為Φ 13. 3X3. 3mm3。
[0028] 將上述制得的鈦硅碳?jí)K體材料進(jìn)行X-射線衍射分析，結(jié)果類似圖2所示，其主要 成分為Ti 3SiC2，此外還有少量氧化物存在，Ti3SiC2未發(fā)生分解。
[0029] 上述制得的鈦硅碳?jí)K體材料的斷口掃描電鏡照片類似圖3所示，可以看出該塊體 燒結(jié)材料結(jié)構(gòu)致密。對(duì)該鈦硅碳?jí)K體材料進(jìn)行密度測(cè)試，測(cè)試方法為為阿基米德法，得到該 塊體燒結(jié)產(chǎn)物致密度為95. 27%。
[0030] 實(shí)施例3 :
[0031] 原料采用粒度為300目左右的鈦硅碳粉，該鈦硅碳粉質(zhì)量純度為95%，其中含少量 固溶鋁雜質(zhì)。將原料裝入直徑為25mm的圓柱型不銹鋼模具中，在50MPa的壓力下冷壓成坯 體，然后在300MPa壓力下冷等靜壓成型。將成型后的樣品包埋在碳化硅粉中以后放入微波 燒結(jié)爐中真空燒結(jié)，以30°C /min的升溫速率加熱至1500°C燒結(jié)2小時(shí)，得到類似圖1所示 的片狀鈦硅碳?jí)K體材料，該塊體材料的尺寸為Φ 22. 5X4. 2mm3。
[0032] 將上述制得的鈦硅碳?jí)K體材料進(jìn)行X-射線衍射分析，結(jié)果類似圖2所示，其主要 為Ti 3SiC2，此外還有少量氧化物存在，未發(fā)現(xiàn)Ti3SiC2的分解產(chǎn)物TiC。
[0033] 上述制得的鈦硅碳?jí)K體材料的斷口掃描電鏡照片類似圖3所示，可以看出該塊體 燒結(jié)材料結(jié)構(gòu)致密。對(duì)該鈦硅碳?jí)K體材料進(jìn)行密度測(cè)試，測(cè)試方法為阿基米德法，得到該塊 體燒結(jié)產(chǎn)物致密度為91. 46%。
[0034] 實(shí)施例4 :
[0035] 本實(shí)施例中，原料及制備方法基本與實(shí)施例1相同，所不同的是模具為橫截面是 長(zhǎng)方形的柱狀結(jié)構(gòu)，得到的鈦硅碳?jí)K體材料呈條狀結(jié)構(gòu)。
[0036] 實(shí)施例5 :
[0037] 本實(shí)施例中，原料及制備方法基本與實(shí)施例1相同，所不同的是模具為橫截面是 環(huán)形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，得到的鈦硅碳?jí)K體材料呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
[0038] 以上所述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅 為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、 補(bǔ)充或類似方式替代等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法，其特征是：以鈦硅碳粉為原料，將 原料裝入模具中，在20MPa?80MPa的壓力下冷壓成坯體，然后在150MPa?300MPa的壓 力下冷等靜壓成型，再將成型后的樣品包埋在鈦硅碳粉或者SiC粉中以后放入無(wú)壓燒結(jié) 爐中，在惰性氣體保護(hù)條件或真空條件下以2°C /min?100°C /min的升溫速率加熱至 1200°C /min?1700°C燒結(jié)0. 1小時(shí)?4小時(shí)，得到鈦硅碳?jí)K體陶瓷材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法，其特征是：所述 的鈦硅碳原料粉的質(zhì)量純度大于等于95%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法，其特征是：所述 的鈦硅碳原料粉的粒度為50?1000目。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法，其特征是：所述 的無(wú)壓燒結(jié)爐包括管式爐、馬弗爐、微波燒結(jié)爐。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法，其特征是：在 30MPa?50MPa的壓力下冷壓成坯體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法，其特征是：在 200MPa?300MPa的壓力下冷等靜壓成型。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法，其特征是：所述 的升溫速率為5°C /min?50°C /min。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法，其特征是：所述 的升溫速率為l〇°C /min?30°C /min。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法，其特征是：所述 的加熱溫度為1300°C /min?1500°C。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)壓燒結(jié)制備鈦硅碳陶瓷塊體材料的方法，其特征是：所述 的燒結(jié)時(shí)間為〇. 5小時(shí)?2小時(shí)。
【文檔編號(hào)】C04B35/56GK104058749SQ201310093359
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月21日
【發(fā)明者】李方志, 汪乾, 胡春峰, 黃慶, 張海斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所