一種鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料及其制備方法。鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料的化學式為(Nb1-xTix)4AlC3，其中，Ti取代Nb的原子摩爾取代量x的范圍為0＜x≤0.3。以鈮粉、氫化鈦粉、鋁粉和石墨粉為原料，經物理機械方法混合均勻后，裝入表面涂有BN保護涂層的石墨模具中冷壓成型，然后在通有保護氣氛的真空熱壓爐中熱壓燒結制得。本發(fā)明工藝簡單，可以制備出單相的鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料，該材料力學性能和抗氧化性能優(yōu)異。
【專利說明】一種鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料及其制備方法

【技術領域】：
[0001] 本發(fā)明涉及陶瓷材料領域，尤其涉及一種致密的鈮鈦鋁碳（Μνχ--χ) 4Α1(：3固溶體 陶瓷材料及其原位制備方法。

【背景技術】：
[0002] 鈮鋁碳（Nb4AlC3)陶瓷是一種新型的三元層狀陶瓷材料，其結合了陶瓷和金屬的 優(yōu)點，具有高的電導率和熱導率、優(yōu)良的損傷容限，有延展性和高溫塑性，可機械加工，同時 又具有較低的密度、高的熔點和彈性模量、低的摩擦系數和良好的自潤滑性能，且在三元層 狀陶瓷家族中具有較高的韌性。更為重要的是鈮鋁碳陶瓷具有極其優(yōu)異的高溫力學性能， 因而在高溫結構材料方面具有廣闊的應用前景。但是鈮鋁碳陶瓷自身的室溫強度和硬度 還不夠理想，且抗氧化性能較差，這限制了其作為結構材料的應用。固溶改性是提高三元 層狀陶瓷材料力學性能和綜合性能的有效手段。Salama等通過原位反應熱壓燒結制備了 (Nb，Ti) 2AlC固溶體陶瓷，鈦的加入使得材料的抗氧化性能有所改善，但力學性能下降。


【發(fā)明內容】
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[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種致密的鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料，本發(fā)明的另一目的 是提供上述鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料的制備方法。
[0004] 本發(fā)明的技術方案：通過鈦固溶置換鈮鋁碳（Nb4AlC3)中的部分鈮來改善鈮鋁碳 陶瓷材料的力學性能和抗氧化性能。以鈮粉、氫化鈦粉、鋁粉和石墨粉為原料，采用原位熱 壓燒結制備方法，固溶和材料的致密化一步完成。
[0005] 本發(fā)明的具體技術方案為：一種鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料，其特征在于：鈮鈦鋁 碳固溶體陶瓷材料的化學式為（ΝΙν χ--χ)4ΑΚ：3, Ti取代Nb的原子摩爾取代量X的范圍為0 < X彡0. 3 ;優(yōu)選Ti取代Nb的原子摩爾取代量X的范圍為0. 05彡X彡0. 3。
[0006] 本發(fā)明還提供了上述鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料的制備方法，其具體步驟為：按鈮 鈦鋁碳固溶體陶瓷材料的化學式為（NlvJU 4A1C3 (0 < X < 0. 3)稱取原料鈮粉、氫化鈦粉、 鋁粉和石墨粉，原料經物理機械方法混合，裝入表面涂有BN的石墨模具中冷壓成型，在通 有保護氣氛的真空熱壓爐中熱壓燒結。
[0007] 優(yōu)選上述的銀粉粒度為325目篩余；氫化鈦粉粒度為300目篩余；錯粉粒度為200 目篩余；石墨粉粒度為1200目篩余。
[0008] 優(yōu)選上述的物理機械方法混合為滾磨。優(yōu)選所述的冷壓成型壓力為1?3MPa。優(yōu) 選燒結過程中的保護氣氛為氬氣。
[0009] 優(yōu)選真空熱壓爐中熱壓燒結的工藝為：升溫速率為15?25°C /min ;燒結溫度為 1680?1720°C，燒結保溫時間為1-2小時；燒結壓強為25?30MPa。
[0010] 有益效果：
[0011] (1)以鈮粉、氫化鈦粉、鋁粉和石墨粉為原料，采用原位熱壓燒結技術，一步制得鈮 鈦鋁碳固溶體陶瓷材料，工藝簡單，成本低。
[0012] (2)采用本發(fā)明方法制備的鈦鈮鋁碳（NbhTix)4AlC 3固溶體陶瓷材料中鈦的固溶 度X可在0?0. 3之間可調，材料中物相純凈，僅含鈮鈦鋁碳固溶體一相，無 NbC、TiC等雜 相。
[0013] (3)采用本發(fā)明方法制備的鈮鈦鋁碳陶瓷材料結構致密、晶界干凈，材料力學性能 優(yōu)異，抗彎強度、斷裂韌性和維氏硬度相比于鈮鋁碳陶瓷顯著提高。
[0014] (4)鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料在1000?1200°C空氣中的氧化遵循拋物線規(guī)律，與 鈮鋁碳陶瓷相比抗氧化性顯著提高。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0015] 圖1是實施例1制備的（％_χ--χ)4ΑΚ： 3(Χ = 0. 2)固溶體陶瓷材料的XRD圖譜；
[0016] 圖2是實施例1制備的（ΝΙνχ--χ)4ΑΚ： 3(Χ = 0. 2)固溶體陶瓷材料的表面SEM照 片；
[0017] 圖3是實施例1制備的（％_χ--χ)4Α1(： 3(Χ = 0. 2)固溶體陶瓷材料的斷口 SEM照 片。

【具體實施方式】：
[0018] 以下實施例所用原料：鈮粉粒度為325目篩余；氫化鈦粉粒度為300目篩余；鋁粉 粒度為200目篩余；石墨粉粒度為1200目篩余。
[0019] 實施例1
[0020] 原料粉末按摩爾比Nb:TiH2:Al:C = 3. 2:0. 8:1. 1:2. 7配料，稱取后于聚乙烯罐 中干混24小時，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷壓成型，壓力3MPa，并于氦氣氣氛 中燒結，升溫速率為15°C /min，加熱到1700°C保溫1小時，壓力30MPa。獲得的塊體材料 為（NbaJiMhAlQ。對制得材料進行XRD分析（如圖1所示），結果表明該材料的物相為 單一的（Nb a8Tia2)4AlC3固溶體。對材料表面和斷面SEM分析（如圖2和圖3所示），層狀 (Nb a8Tia2)4AlC3晶粒清晰可見，結構致密、均勻。采用阿基米德法測得材料的顯氣孔率為 0. 09 %，在萬能試驗機上測得材料的三點抗彎強度達到508. 9MPa，采用單邊缺口梁法測得 材料斷裂韌性達到8. 4MPa ·πι1/2,通過顯微硬度儀測得維氏硬度為3. 6GPa，通過恒溫氧化實 驗測得材料在l〇〇〇°C空氣中氧化20h后單位面積氧化增重為0. 35Kg/m2。
[0021] 實施例2
[0022] 原料粉末按摩爾比Nb:TiH2:Al:C = 3. 8:0. 2:1. 1:2. 7配料，稱取后于聚乙烯 罐中干混24小時，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷壓成型，壓力IMPa，并于氬氣 氣氛中燒結，升溫速率為25°C /min，加熱到1680°C保溫2小時，壓力25MPa，獲得塊體材 料為（Νν95--α(ι5) 4Α1(：3。采用阿基米德法測得材料的顯氣孔率為0. 1%，在萬能試驗機 上測得材料的三點抗彎強度達到370. 29MPa，采用單邊缺口梁法測得材料的斷裂韌性達 到7. 3MPa · m1/2,通過顯微硬度儀測得維氏硬度為3. lGPa，通過恒溫氧化實驗測得材料在 1000°C空氣中氧化20h后單位面積氧化增重為0. 89Kg/m2。
[0023] 實施例3
[0024] 原料粉末按摩爾比Nb:TiH2:Al:C = 2. 8:1.2:1. 1:2. 7配料，稱取后于聚乙烯 罐中干混24小時，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷壓成型，壓力2MPa，并于氬氣 氣氛中燒結，升溫速率為20°C /min，加熱到1720°C保溫1小時，壓力30MPa，獲得塊體材 料為（Nba7Tia3)4AlC3。采用阿基米德法測得材料的顯氣孔率為0. 18%，在萬能試驗機 上測得材料的三點抗彎強度達到395. 9MPa，采用單邊缺口梁法測得材料的斷裂韌性達 到7. 7MPa · m1/2,通過顯微硬度儀測得維氏硬度為4. 4GPa，通過恒溫氧化實驗測得材料在 1000°C空氣中氧化20h后單位面積氧化增重為0. 21Kg/m2。
[0025] 比較例
[0026] 原料粉末按摩爾比Nb:Al:C = 4:1. 1:2. 7配料，稱取后于聚乙烯罐中干混24小 時，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷壓成型，壓力3MPa，并于氬氣氣氛中燒結，升溫速 率為升溫速率為15°C /min，加熱到1700°C保溫1小時，壓力30MPa，獲得塊體材料為Nb4AlC3 陶瓷，采用阿基米德法測得材料的顯氣孔率為〇. 17%，在萬能試驗機上測得材料的三點抗 彎強度為339MPa，采用單邊缺口梁法測得材料的斷裂韌性為7. IMPa ·πι1/2,通過顯微硬度儀 測得維氏硬度為2. 6GPa，通過恒溫氧化實驗測得材料在1000°C氧化20h的單位面積氧化增 重為 1. 46Kg/m2。
【權利要求】
1. 一種鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料，其特征在于：鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料的化學式為 (%_ Χ--Χ)4ΑΚ：3，其中Ti取代Nb的原子摩爾取代量X的范圍為0<x彡0. 3。
2. -種制備如權利要求1所述的鈮鈦鋁碳固溶體陶瓷材料的方法，其特征在于：按鈮 鈦鋁碳固溶體陶瓷材料的化學式為（ΝΙν χ--χ)4ΑΚ：3,0 < X < 0. 3,稱取原料鈮粉、氫化鈦粉、 鋁粉和石墨粉，原料經物理機械方法混合，裝入表面涂有ΒΝ的石墨模具中冷壓成型，在通 有保護氣氛的真空熱壓爐中熱壓燒結。
3. 按照權利要求2所述的方法，其特征在于所述的鈮粉粒度為325目篩余；氫化鈦粉 粒度為300目篩余；錯粉粒度為200目篩余；石墨粉粒度為1200目篩余。
4. 按照權利要求2所述的方法，其特征在于所述的物理機械方法混合為滾磨。
5. 按照權利要求2所述的方法，其特征在于所述的冷壓成型壓力為1?3MPa。
6. 按照權利要求2所述的方法，其特征在于燒結過程中的保護氣氛為氬氣。
7. 按照權利要求2所述的方法，其特征在于真空熱壓爐中熱壓燒結的工藝為：升溫速 率為15?25°C /min ;燒結溫度為1680?1720°C，燒結保溫時間為1-2小時；燒結壓強為 25 ?30MPa。
【文檔編號】C04B35/65GK104086178SQ201410319052
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權日:2014年7月4日
【發(fā)明者】楊建 , 顧堅, 潘麗梅, 丘泰 申請人:南京工業(yè)大學