專利名稱：一種鈦硅化碳/二硼化鈦-碳化鈦復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷基復(fù)合材料及其制備方法，具體為原位合成一種致密鈦硅化 碳/二硼化鈦-碳化鈦復(fù)合塊體材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
鈦硅化碳是三元層狀陶瓷材料的典型代表，其綜合了金屬與陶瓷的諸多優(yōu) 點(diǎn)，具有低密度、高模量、抗熱震、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、可加工和優(yōu)良的高溫抗氧化 性等特點(diǎn)，同時還具有良好自潤滑性與比傳統(tǒng)固體潤滑劑石墨與二硫化鉬更低的
磨擦系數(shù)，是一種結(jié)構(gòu)一功能一體化材料，在電極電刷材料、高溫結(jié)構(gòu)材料與自 潤滑材料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
但是鈦硅化碳自身的機(jī)械性能較差，這限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。通過 引入增強(qiáng)相能有效的提高鈦硅化碳材料的機(jī)械性能?，F(xiàn)今已通過向鈦硅化碳基體
中分別引入八1203、 TiC、 SiC、 c-BN、 TiB2、 Zr02第二相組成復(fù)合體系(HuCF, Zhou Y C， Bao Y W, Wan D T. AI203增強(qiáng)Ti3SiC2復(fù)相材料的摩擦性能[J].美國陶 瓷協(xié)會雜志，2006, 89(11): 3456-3461; Zhang J F, Wang L J, Jiang W, Chen L D. TiC含量對放電等離子發(fā)原位合成Ti3SiC2-TiC復(fù)相材料顯微結(jié)構(gòu)與性能的影響 〖J].材料科學(xué)與工程A, 2008, 487(1-2): 137-143; Zhang J F, Wang L J， Shi L, Jiang W，ChenLD.放電等離子法制備Ti3SiC2-SiC納米復(fù)相材料[J].材料快報，2007, 56(3): 241-244; Benko E, Klimczyk P， Mackiewicz S， Barr T L, Piskorska E. cBN-Ti3SiC2復(fù)相材料[J].類金剛石膜的性質(zhì)及應(yīng)用，2004, 13(3): 521-525; Zhou W B, Mei B C， Zhu J Q.熱壓法原位合成Ti3SiC2/TiB2復(fù)相材料[J].武漢理工大學(xué) 學(xué)報自然科學(xué)版，2008， 23(6): 863-865; Shi S L, Pan W.放電等離子法制備 3Y-TZP增韌的Ti3SiC2 [J].材料科學(xué)與工程，2007, 447(1-2): 303-306，顯著改善和 優(yōu)化了 Ti3SiC2的力學(xué)性能以及耐摩擦磨損性能、抗氧化性能、抗熱震性，但通 常采用一種強(qiáng)韌相，補(bǔ)強(qiáng)增韌機(jī)構(gòu)單一，補(bǔ)強(qiáng)增韌效果有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供了一種鈦硅化碳/二硼化鈦-碳化鈦復(fù)合材料，本發(fā)明的另一目的還提供了上述材料的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案為利用原位反應(yīng)制備鈦硅化碳/二硼化鈦-碳化鈦材料， 其基本原理是在鈦粉、硅粉、石墨粉反應(yīng)生成鈦硅化碳的同時，利用碳化硼粉在 高溫下與鈦粉發(fā)生反應(yīng)原位生成二硼化鈦與碳化鈦兩種不同形貌、不同增強(qiáng)機(jī)理 的聯(lián)合增強(qiáng)相，從而一步制得鈦硅化碳/二硼化鈦-碳化鈦材料。由阿基米德法測 得該塊體材料的致密度大于99%。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案為 一種鈦硅化碳/二硼化鈦-碳化鈦復(fù)合材料，其特 征在于由由板/柱狀二硼化鈦與等軸狀碳化鈦增強(qiáng)相和層狀鈦硅化碳基體組成， 其中二硼化鈦、碳化鈦各占復(fù)合材料總體積的10~15%。
本發(fā)明還提供了制備上述復(fù)合材料的方法，其具體步驟為將原料鈦粉、硅 粉、石墨粉與碳化硼粉按摩爾配比n(Ti):n(Si):n(C):n(B4C)為 (3.60~3.98):(1.85~1.14):2:(0.17~0.28)稱量；原料粉末經(jīng)物理機(jī)械方法干混后裝于 表面涂有保護(hù)涂層的石墨模具中冷壓成型，在通有保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)。
其中所述的碳化硼粉為粒度范圍為3~10微米粉;鈦粉和硅粉粒度為-300目。 石墨粉粒度范圍為5~20微米粉。 優(yōu)選所述的保護(hù)氣氛為氬氣。 在于在熱壓爐內(nèi)燒結(jié)時，優(yōu)選升溫速率為10 5(TC/分鐘；燒結(jié)溫度為 148(M520。C;燒結(jié)時間為1.5-2小時；燒結(jié)壓強(qiáng)為22 25MPa。
本發(fā)明在于提供一種力學(xué)性能好、操作簡單、工藝條件容易控制、成本低 的致密二硼化鈦-碳化鈦-鈦硅化碳材料及其制備方法，材料中含有棒狀的二硼化 鈦和等軸狀的碳化鈦兩種增強(qiáng)相和相應(yīng)的兩種增強(qiáng)機(jī)制。
有益效果
(1) 在制備鈦硅化碳基體的原料中加入廉價的碳化硼，利用碳化硼與鈦的反應(yīng)原 位合成價格較貴的棒狀二硼化鈦和等軸狀的碳化鈦兩種增強(qiáng)相，從而進(jìn)一步 制得鈦硅化碳/二硼化鈦-碳化鈦材料。
(2) 采用原位合成制備鈦硅化碳/二硼化鈦-碳化鈦復(fù)相材料工藝簡單，成本低。
(3) 制得鈦硅化碳/二硼化鈦-碳化鈦復(fù)相材料顯微結(jié)構(gòu)均勻，由層狀鈦硅化碳晶 粒、棒狀二硼化鈦晶粒與等軸狀碳化鈦晶粒構(gòu)成，增強(qiáng)相顆粒界面無污染， 棒狀二硼化鈦和等軸狀碳化鈦兩種強(qiáng)韌相之間交互作用，兩種補(bǔ)強(qiáng)增韌機(jī)制相互協(xié)同耦合，使材料的力學(xué)性能顯著提高。 (4) 二硼化鈦與碳化鈦均具有良好的導(dǎo)電性，制得的鈦硅化碳/二硼化鈦-碳化鈦 復(fù)合材料仍然保持了良好的導(dǎo)電性，可作為電極或電刷材料。


圖1是實(shí)施例1所得(TiB2+TiC)/Ti3SiC2復(fù)相材料的XRD圖譜，其中女代表 Ti3SiC2，令代表TiB2， A代表TiC。
圖2是實(shí)施例1所得復(fù)合材料斷口的掃描電鏡照片。 圖3是圖2的局部放大掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1
原料粉末按摩爾比n(Ti):n(Si):n(C):n(B4C)= 3.59:1.09:2:0.17稱取鈦粉(-300 目)、硅粉(-300目)、石墨粉(平均粒徑15微米粉)與碳化硼粉(平均粒徑5微米粉) 后于聚乙烯罐中干混20h后置于表面涂有氮化硼的石墨模具中冷壓成型，然后于 氬氣氛中熱壓燒結(jié)，以30°C/min的升溫速度升至1的(TC，保溫2h，壓力22MPa。 獲得塊體材料的致密度達(dá)到99.5%，在萬能試驗(yàn)機(jī)上測試材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度大 于700MPa，采用單邊缺口梁法測得材料的斷裂韌大于9MPa'tn1/2。對制得產(chǎn)品 進(jìn)行XRD分析，如圖l所示產(chǎn)品由鈦硅化碳、二硼化鈦與碳化鈦組成。對產(chǎn)品 斷口進(jìn)行SEM分析，如圖2、圖3所示，產(chǎn)品中層狀鈦硅化碳、棒狀二硼化鈦 和等軸狀碳化鈦晶粒清晰可見。 實(shí)施例2:
原料粉末按摩爾比n(Ti):n(Si):n(C):n(B4C)=3.98:l.14:2:0.28稱取釹粉(-300 目)、硅粉(-300目)、石墨粉(平均粒徑IO微米粉)與碳化硼粉(平均粒徑IO微米粉) 后于聚乙烯罐中干混24h后置于表面涂有氮化硼的石墨模具中冷壓成型，然后于 氬氣氛中熱壓燒結(jié)，以25°C/min的升溫速度升至151(TC，保溫2h，壓力25MPa。 獲得塊體材料的致密度達(dá)到99.4%，在萬能試驗(yàn)機(jī)上測試材料的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度大 于680MPa，采用單邊缺口梁法測得材料的斷裂韌性大于9MPa'm1/2。
權(quán)利要求
1.一種鈦硅化碳/二硼化鈦-碳化鈦復(fù)合材料，其特征在于由板/柱狀二硼化鈦與等軸狀碳化鈦增強(qiáng)相和層狀鈦硅化碳基體組成，其中二硼化鈦、碳化鈦各占復(fù)合材料總體積的10～15％。
2. —種制備如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料的方法，其具體步驟為將原料鈦粉、硅粉、石墨粉與碳化硼粉按摩爾配比n(Ti):n(Si):n(C):n(B4C)為 3.60~3.98:1.85~1.14:2:0.17~0.28稱量，原料粉末經(jīng)物理機(jī)械方法干混后裝于 表面涂有保護(hù)涂層的石墨模具中冷壓成型，在通有保護(hù)氣氛的熱壓爐內(nèi)燒結(jié)。
3. 按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的碳化硼粉為粒度范圍為3~10 微米粉；鈦粉、硅粉粒度為-300目；石墨粉粒度范圍為5 20微米粉。
4. 按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述的保護(hù)氣氛為氬氣。
5. 按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在熱壓爐內(nèi)燒結(jié)時，升溫速率為10 50。C/分鐘；燒結(jié)溫度為1480~1520°C;燒結(jié)時間為1,5~2小時；燒結(jié)壓強(qiáng) 為22 25MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈦硅化碳/二硼化鈦-碳化鈦復(fù)合塊體材料及其制備方法。復(fù)合材料由板/柱狀二硼化鈦、等軸狀碳化鈦顆粒增強(qiáng)相與層狀鈦硅化碳基體組成，其中二硼化鈦與碳化鈦各占材料總體積的10～15％。將原料鈦粉、硅粉、石墨粉和碳化硼粉按摩爾配比為(3.60～3.98)∶(1.85～1.14)∶2∶(0.17～0.28)經(jīng)物理機(jī)械方法混勻后裝入表面涂有保護(hù)涂層的石墨磨具中冷壓成型于通有保護(hù)氣氛的熱壓爐中燒結(jié)，升溫速率為10～50℃/分鐘，燒結(jié)溫度為1480～1520℃、燒結(jié)時間為1.5～2小時、燒結(jié)壓強(qiáng)為22～25MPa。本發(fā)明工藝簡單，材料性能優(yōu)異。
文檔編號C04B35/515GK101555136SQ20091002776
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月20日
發(fā)明者泰 丘, 建 楊, 巍 顧 申請人:南京工業(yè)大學(xué)