專利名稱：一種制備鈦硅碳陶瓷粉的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷粉的制備方法，特別是一種制備鈦硅碳Ti3SiC2陶瓷粉末的方法。
背景技術(shù)：
近年來，三元層狀化合物Ti3SiC2作為一種新型材料成為人們研究的熱點。Ti3SiC2的理論密度為4.53g/cm3。這種材料結(jié)合了金屬和陶瓷的許多優(yōu)良性能，如象金屬一樣是優(yōu)良的電和熱導(dǎo)體，其熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率分別為43W/(m.K)和4.5×106Ω-1.m-1、相對較“軟”，維氏硬度為4～7GPa、易加工，對熱震不敏感，經(jīng)過ΔT＝1400℃的熱震，材料的殘余強(qiáng)度仍在300MPa，1200℃以上表現(xiàn)出高溫塑性行為；具有陶瓷的抗氧化性，在1100℃仍具有較好的抗氧化性，特別是高溫保持高強(qiáng)度。以上性能表明，這種材料將是高溫結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)選材料，如應(yīng)用于渦輪機(jī)的葉片和定子；也是熔化金屬用的電極材料；Ti3SiC2陶瓷可以象石墨一樣容易加工，可代替云母玻璃陶瓷；具有自潤滑性，可用作軸承材料。這種集可加工性、高溫強(qiáng)度和塑性，以及對熱震不敏感各種性能于一體的材料是不多見的。
目前主要是采用鈦(Ti)/硅(Si)/石墨(C)或碳化鈦(TiC)/硅(Si)/石墨(C)或鈦(Ti)/碳化硅(SiC)/石墨(C)等幾種混合粉，利用常壓、熱壓、熱等靜壓、自蔓延高溫反應(yīng)、熱壓結(jié)合固液反應(yīng)、等離子放電等燒結(jié)工藝制備Ti3SiC2致密的塊體。如美國專利US5942455和US6461989報道采用Ti/SiC/C混合粉，在1600℃溫度，42MPa壓力，經(jīng)過4～5小時熱壓；或在1600℃溫度，60MPa壓力，經(jīng)過4小時熱等靜壓合成了Ti3SiC2致密的塊體。Gao等人對TiC/Si/C混合粉采用等離子放電工藝，在3000A的電流下，于1125-1400℃溫度范圍，20-60MPa壓力范圍合成了Ti3SiC2塊體材料(N.F.Gao，J.T.Lib，D.Zhang，Y.Miyamotoa.Rapid synthesis of dense Ti3SiC2by spark plasma sintering.J Eur.Ceram.Soc.2002，222365-2370.)。Khoptia等人采用自蔓延高溫反應(yīng)合成了Ti3SiC2材料(Y.Khoptiar，I.Gotman.Synthesis of dense Ti3SiC2-based ceramics by thermal explosion under pressure.J Eur.Ceram.Soc.2003，2347-53)。在陶瓷工業(yè)中，高純度的粉體材料需求很大，如果要通過上述方法獲得純度較高的Ti3SiC2粉體，需對上述合成的塊體材料先進(jìn)行破碎、研磨，再經(jīng)后期的酸洗和氧化處理工藝除去TiC等雜質(zhì)相，工藝比較繁鎖、成本高。同時采用上述燒結(jié)工藝時，燒結(jié)溫度在1300-1600℃范圍，耗能高，費時長，制備工藝比較麻煩，相應(yīng)地提高了制備成本，而且得到的高純度Ti3SiC2粉末數(shù)量較少，僅可供實驗用。此外，高溫固相反應(yīng)法制備的Ti3SiC2燒結(jié)塊需要重新粉粹得到粉體，形成的粉體粒徑大且無法控制，粒徑形狀不一，粉體的活性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題常溫下合成純度高、工藝成本低、可批量生產(chǎn)的鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷粉體?？梢杂肨i3SiC2粉直接制備均質(zhì)材料或作為彌散增強(qiáng)劑制備復(fù)合材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案該方法是采用行星式高能球磨機(jī)，對鈦(Ti)，硅(Si)，石墨(C)三種粉末按不同摩爾比進(jìn)行高能球磨。球磨過程中，通過機(jī)械誘導(dǎo)Ti-Si-C系統(tǒng)中自蔓延反應(yīng)的發(fā)生，最終合成Ti3SiC2。合成粉末中含有的TiC及硅化物雜質(zhì)相，可通過酸洗和氧化去掉。通過機(jī)械誘導(dǎo)自蔓延反應(yīng)得到的Ti3SiC2顆粒尺寸在微米或亞微米級。
制備鈦硅碳陶瓷粉的方法的具體步驟(1)將鈦(Ti)、硅(Si)、石墨粉(C)三種粉末按摩爾配比3∶(1～2)∶(1.5～2)配料，研磨球采用不銹鋼或硬質(zhì)合金，球與料按重量比10∶1～100∶1；將上述的球和料放入球磨罐，球磨罐抽真空，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為150～350r/min；在室溫下，經(jīng)過1～4小時的球磨，合成鈦硅碳(Ti3SiC2)為主相的陶瓷粉。
(2)雜質(zhì)相的去除將步驟1中合成的細(xì)粉酸洗0.5～2小時，酸洗液的體積配比為氫氟酸∶水＝1∶1，去掉硅化物，酸洗后的粉末經(jīng)蒸餾水沖洗后，烘干，在400～500℃范圍內(nèi)進(jìn)行氧化處理1～4小時，去掉碳化鈦(TiC)，再經(jīng)硫酸銨和硫酸的混合溶液處理以去掉氧化物，水洗，烘干，獲得鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷粉末。
本發(fā)明的有益效果制備的鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷粉末純度高、工藝簡單、成本低，體現(xiàn)在以下幾個方面①球磨反應(yīng)在室溫下進(jìn)行，球磨設(shè)備簡單，容易操作。
②獲得的Ti3SiC2粉末，其顆粒尺寸可達(dá)到微米或納亞微米。顆粒具有較大的比表面積，有較高的燒結(jié)活性。可以用Ti3SiC2粉直接制備均質(zhì)材料或作為彌散增強(qiáng)劑制備復(fù)合材料。
③反應(yīng)球磨時間短，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)率，降低了由研磨罐和研磨球引入雜質(zhì)的機(jī)會。
④不需要高溫?zé)Y(jié)爐，節(jié)約了能耗，制備時間短，生產(chǎn)工藝簡單，投資少，可批量生產(chǎn)Ti3SiC2粉末超細(xì)粉。


圖1 Ti-Si-C粉球磨1.5h后生成的Ti3SiC2顆粒的(a)外觀形貌；(b)顆粒的斷口掃描電子顯微鏡(SEM)照片圖2經(jīng)酸洗和氧化處理后的高純Ti3SiC2粉的XRD分析圖譜具體實施方式
將平均粒徑為48μm，純度為99.14％的鈦粉，平均粒徑為25μm，純度為99.95％的硅粉和平均粒徑為45μm，純度為99.8％的石墨粉三種粉末，按3∶1∶2的摩爾配比裝入研磨罐中。每個不銹鋼罐的體積為500ml，研磨罐抽真空至0.1Pa。所用研磨球的材質(zhì)為不銹鋼，球與料的重量比為20∶1，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為250r/min，經(jīng)1.5h球磨后形成大量尺寸在5mm左右的小顆粒，這些小顆粒主要由大量棒狀或片狀的Ti3SiC2組成，另外還含有細(xì)小的白色球形TiC顆粒以及硅化物，見說明書附圖中的圖1(a)和(b)。把這些小顆粒在球磨機(jī)中球磨1～2h，取出粉料，經(jīng)氫氟酸比水？比為1∶1，酸洗0.5～1h，主要是為了去掉硅化物；然后在氧化爐中于450℃低溫進(jìn)行氧化處理2h，使TiC全部氧化掉；氧化后的粉末放入盛有(NH4)2SO4+H2SO4的混合液的燒杯中處理1h，然后過濾并用蒸餾水沖洗粉末。所得到的粉末在烘箱中烘干，獲得純度高的Ti3SiC2粉。得到的Ti3SiC2粉末經(jīng)X射線衍射分析圖譜，見圖2可知，譜圖中沒有其它雜質(zhì)的存在，只有單一相Ti3SiC2的衍射峰，說明以上工藝得到的Ti3SiC2陶瓷粉純度高。
權(quán)利要求
1.一種制備鈦硅碳陶瓷粉的方法，該方法的步驟(1)將鈦(Ti)、硅(Si)、石墨粉(C)三種粉末按摩爾配比3∶(1～2)∶(1.5～2)配料，研磨球采用不銹鋼或硬質(zhì)合金，球與料按重量比10∶1～100∶1；將上述的球和料放入球磨罐，球磨罐抽真空，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為150～350r/min；在室溫下，經(jīng)過1～4小時的球磨，合成鈦硅碳Ti3SiC2為主相的陶瓷粉。(2)雜質(zhì)相的去除將步驟1中合成的細(xì)粉經(jīng)氫氟酸溶液酸洗0.5～2小時，酸洗液的體積配比為氫氟酸∶水＝1∶1，去掉硅化物；酸洗后的粉末經(jīng)蒸餾水沖洗后，烘干，在400～500℃范圍內(nèi)進(jìn)行氧化處理1～4小時，去掉碳化鈦(TiC)；再經(jīng)硫酸銨和硫酸的混合溶液處理以去掉氧化物，水洗，烘干，獲得鈦硅碳(Ti3SiC2)陶瓷粉末。
全文摘要
一種制備鈦硅碳陶瓷粉的方法，其具體步驟首先，將鈦(Ti)、硅(Si)、石墨粉(C)三種粉末按摩爾配比3∶(1～2)∶(1.5～2)配料，采用不銹鋼球，球與料的重量比10∶1～100∶1；將球和料放入球磨罐，球磨罐抽真空，轉(zhuǎn)速為150～350r/min；室溫下，經(jīng)過1～4小時的球磨，合成鈦硅碳為主相的陶瓷粉。其次，將合成的細(xì)粉經(jīng)氫氟酸溶液酸洗0.5～2小時，去掉硅化物；粉料再經(jīng)蒸餾水沖洗、烘干，在400～500℃內(nèi)氧化處理1～4小時，去掉碳化鈦；再經(jīng)硫酸銨和硫酸的混合溶液處理去掉氧化物，水洗，烘干，獲得鈦硅碳陶瓷粉末。該方法工藝簡單、成本低、制備的鈦硅碳陶瓷粉末純度高。
文檔編號C04B35/622GK1594210SQ200410009220
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者李世波, 翟洪祥, 張志力 申請人:北京交通大學(xué)