專利名稱：一種鈦硅碳化物粉及其以鋁為反應助劑的常壓合成方法
技術領域：
本發明涉及一種鈦硅碳化物粉及其合成方法。該粉為新型的三元碳化物陶瓷粉末，可用其為原料，制備具有高導電率、高導熱率、耐熱沖擊、自潤滑、可機械加工等性能的鈦硅碳化物塊體材料及各種復合材料和器件。
背景技術：
鈦硅碳化物Ti3SiC2最早于1967年由W.Jeitschko和H.Nowomy(Monatsh.Chem.，1967，98329-37)將TiH2、Si和石墨在2000℃下化學反應而獲得，但是合成的量很小，不具有實際工程應用價值。1996年M.W.Barsoum和T.El-Raghy(J.Am.Ceram.Soc.，1996，79[7]1953-56)以Ti粉、石墨粉和SiC粉為原料，用熱壓原位合成的方法，在1600℃、Ar氣保護下，40MPa熱壓4小時，得到了Ti3SiC2體積分數大于98％的多晶塊體材料，并展示了鈦硅碳化物材料極具應用潛力的若干特性。但是，熱壓原位合成的方法不適合制備較大尺寸的塊體材料，也不能用鈦硅碳化物制備各種復合材料。后來的許多研究者嘗試了各種合成方法，如熱等靜壓法、自蔓延高溫反應法，等等，但都沒有可靠地獲得Ti3SiC2含量大于98％的材料。普遍的問題是反應產物中含有不希望的碳化鈦(TiC)等雜相。這些雜相的存在對Ti3SiC2材料固有的高導電率、自潤滑性和可加工性等優異特性有不利的影響。
要制備各種工程實用的鈦硅碳化物材料及其復合材料和器件，通常需要用預先合成的高純度鈦硅碳化物粉為原料進行二次制備。因此，高純度的鈦硅碳化物粉對于鈦硅碳化物材料的實際應用和相關的科學研究具有十分重要的意義。中國發明專利申請公開號CN1245155A公開了“一種鈦碳化硅粉末的制備方法”，其特征在于，以原子比為3∶1∶2的Si、Ti、石墨粉和2～10wt％的NaF或AlF3·NaF為原料，在惰性氣氛下，1200～1300℃、保溫1～4小時。其實施例表明，所得到的反應產物中Ti3SiC2的含量為93～95％。這個純度在許多情況下不能滿足實際應用的要求。例如，在摩擦學應用的場合，用這種粉末制備的材料中包含的TiC等硬質的雜相顆粒可能造成對磨物表面的嚴重劃傷。此外，用這個制備方法加入的2～10wt％的NaF或AlF3·NaF將大部分殘留在所制備的粉中，對材料的性能有不利的影響。

發明內容
本發明的目的在于提供一種適合于工業規模生產的常壓合成高純度Ti3SiC2粉及其合成方法。
本發明的鈦硅碳化物Ti3SiC2粉，其成分如下Ti3SiC2相的體積含量＞98vol.％；TiC等雜相的總含量＜2vol.％。
其主要的特征在于本發明的Ti3SiC2粉中不含或只含極少量的TiC等雜相。作為反應助劑加入的Al替代Ti3SiC2晶格中的Si生成少量的伴生Ti3AlC2晶胞，對Ti3SiC2粉的特性沒有影響。
本發明的以鋁為反應助劑的常壓合成鈦硅碳化物粉的方法，包括以下各步驟(1)配料將鈦Ti粉、硅Si粉、石墨C粉和鋁Al粉按摩爾比Ti∶Si∶C∶Al＝3∶1∶2∶0.1～0.2的比例配料。
(2)混料按每100克上述配料中加入70～100毫升的無水乙醇、200～250克的瑪瑙球或氧化鋁球，球磨2～6小時，然后在烘箱中60～70℃烘干。將烘干后的混合原料研碎、過篩。
(3)預壓將過篩后的干燥混合原料裝入石墨模具中，施加8～10MPa的壓力，將混合原料壓實。
(4)煅燒將預壓后的混合原料連同石墨模具放入高溫爐中，在惰性氣體保護下，按20～40℃/min的升溫速率，將爐溫升高到1430～1480℃，保溫5～8min，以10～15℃/min的速率冷卻，即得到本發明的鈦硅碳化物粉。
上述制備方法，采用Al作反應助劑，有效地抑制反應過程中TiC等雜相的生成，并且在反應產物中沒有反應助劑殘留。
上述制備方法，所采用的常壓下高溫煅燒的方法適合工業規模生產。
本發明的有益效果本發明用Al為反應助劑有四個好處。第一，用Al彌補反應合成過程中Si因蒸發而導致的質量丟失。第二，利用在660.37℃熔化形成的液態Al促進Ti、Si、C之間的原子擴散，有利于Ti-Si-C三元反應的空間均勻性。第三，利用Al、Si原子的可置換性和Al、Si離子化學價的差異，減少反應過程中Ti-Si-C化學配位失衡而導致的TiC等雜相的生成。第四，Al參與Ti-Si-C反應而生成的與Ti3SiC2伴生的Ti3AlC2晶胞對材料的特性沒有影響，避免了采用NaF或AlF3·NaF等造成的反應助劑殘留問題。因此，提供了一種適合于工業規模生產的常壓合成高純度Ti3SiC2粉的方法。


圖1 本發明制備的鈦硅碳化物粉的X-射線衍射花樣示例
具體實施例方式
實施方式1稱取鈦Ti粉35.92克、硅Si粉7.02克、石墨粉6.01克、鋁Al粉1.35克，在50克無水乙醇介質中，采用瑪瑙球球磨混料4小時，在烘箱中以60℃烘干后，研碎、過篩，放入石墨模具中，在8MPa壓力下壓實，放入高溫爐中，氬氣保護，以20℃/min的速率升溫至1450℃，保溫8min，以10～15℃/min的速率將爐溫降至60℃，將反應生成的疏松狀塊體取出、研碎，即得到Ti3SiC2相體積含量大于98％的鈦硅碳化物粉。
實施方式2稱取鈦Ti粉143.64克、硅Si粉28.09克、石墨粉24.02克、Al粉5.40克，在50克無水乙醇介質中，采用瑪瑙球球磨混料2小時，在烘箱中以60℃烘干后，研碎、過篩，放入石墨模具中，在8MPa壓力下壓實，放入高溫爐中，氬氣保護，以40℃/min的速率升溫至1450℃，保溫5min，以10-15℃/min的速率將爐溫降至60℃，將反應生成的疏松狀塊體取出、研碎，即得到Ti3SiC2相體積含量大于99％的鈦硅碳化物粉。其X射線衍射花樣如附圖1所示，由圖可見，只有Ti3SiC2的衍射峰。
權利要求
1.一種鈦硅碳化物Ti3SiC2粉，其特征在于，該材料的成分如下Ti3SiC2相的體積含量＞98％vol.％；TiC等雜相的總含量＜2vol.％。
2.一種以鋁為反應助劑的鈦硅碳化物粉常壓合成方法，其特征在于，該方法包括以下各步驟(1)配料將鈦Ti粉、硅Si粉、石墨C粉和鋁Al粉按摩爾比Ti∶Si∶C∶Al＝3∶1∶2∶0.1～0.2的比例配料；(2)混料按每100克上述配料中加入70～100毫升的無水乙醇、200～250克的瑪瑙球或氧化鋁球，球磨2～6小時，然后在烘箱中60～70℃烘干，烘干后研碎過篩；(3)預壓將過篩后的干燥混合原料裝入石墨模具中，施加8～10MPa的壓力，將混合原料壓實；(4)煅燒將預壓后的混合原料連同石墨模具放入高溫爐中，在惰性氣體保護下，按20-40℃/min的升溫速率，將爐溫升至1430-1480℃，保溫5-8min，以10-15℃/min的速率冷卻，得到鈦硅碳化物粉。
全文摘要
本發明涉及一種鈦硅碳化物Ti
文檔編號C04B35/622GK1609055SQ200410009589
公開日2005年4月27日 申請日期2004年9月21日 優先權日2004年9月21日
發明者翟洪祥, 周洋, 艾明星, 黃振鶯, 張志力, 李世波 申請人:北京交通大學