本發(fā)明涉及一種常壓制備高純鈦二鋁碳粉體材料的方法，屬于金屬性陶瓷粉體材料制備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，一種新型三元層狀化合物，max相(m代表過渡金屬元素；a代表主族元素；x代表碳或氮)，受到了全世界科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。其既具有類似金屬優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及加工性能，又具有類似陶瓷的高熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性、良好的耐腐蝕性能和抗氧化性能。鈦二鋁碳(ti2alc)是max家族211相中的典型成員，發(fā)現(xiàn)于上個世紀(jì)六十年代(w.jeitschko等.j.less-commonmet.，1963，7(2)，133-138)。它具有較低的密度(4.11g/cm³)、較低的顯微硬度(4.5gpa)、較高的電導(dǎo)率(0.36μω·m)、較高的熱導(dǎo)率(8.2×10^-6·k^-1)、較高的楊氏模量(277gpa)和剪切模量(144gpa)(z.m.sun等.int.mater.rev.，2011，56(3)，143-166)，這些優(yōu)良性能使max成為一種非常有潛力的材料，未來能夠廣泛應(yīng)用于能源、電子和機(jī)械等領(lǐng)域，因此制備高純度的鈦二鋁碳粉末具有十分重要的意義。

近幾十年來，大多數(shù)的研究工作主要集中在鈦二鋁碳粉體和塊體材料的制備。w.jeitschko等人將tic、ti、al和c粉封裝在真空石英管中，電弧熔融后在1200℃退火170～500h制備出鈦二鋁碳粉體(w.jeitschko等.monatashchem.，1963，94(2)，672-677)。h.nowotny等人將tic、ti、al和c粉放置于氧化鋁坩堝內(nèi)，在氫氣氛保護(hù)下，1530℃溫度燒結(jié)20h得到鈦二鋁碳粉體(h.nowotny等.j.solidstatechem.，1980，32，213-219)。以上兩種方法工藝復(fù)雜，耗時過長，僅作為實(shí)驗(yàn)室研究小規(guī)模合成。文獻(xiàn)報道了研究人員利用熱壓(hp)或者熱等靜壓(hip)燒結(jié)技術(shù)制備鈦二鋁碳。b.c.mei等人以tic、ti、al為原料，利用hp燒結(jié)在1400℃得到了鈦二鋁碳塊體，但是產(chǎn)物中含有ti3alc2雜相(b.c.mei等.mater.sci.tech-lond.，2005，13(4)，361-364)。j.f.zhu等人將ti、al、c原料高能球磨后，利用hp燒結(jié)合成了鈦二鋁碳塊體(j.f.zhu等.mat.sci.eng.a，2008，490(1-2)，62-65)。m.w.barsoum等人以ti、c和al4c3粉為原料，在40mpa、1600℃下熱壓4h或者300℃下熱壓30h，合成了純度達(dá)96wt.％以上的鈦二鋁碳塊體(m.w.barsoum等.pro.solid.sta.chem.，2000，28，201-206)。y.c.zhou等人以ti、al和c粉為原料，在30mpa、1400℃下熱壓1h，合成了鈦二鋁碳塊體(y.c.zhou等.z.metallkd.，2002，93(1)，66-67)。j.f.zhu等人先用機(jī)械合金化將ti、al、c粉球磨成tial、tic及含少量ti，al的混合粉體，再在真空或氣氛中熱壓制備出鈦二鋁碳塊體(j.f.zhu等.專利，2006，cn1958514a)。c.g.bo等人以tial、tic為原料，在真空熱壓或等靜壓條件下制備出純度高達(dá)99wt.％的鈦二鋁碳塊體(c.g.bo等.專利，2016，cn106032323a)。但是以hp或者h(yuǎn)ip制備的鈦二鋁碳粉體需要研磨成細(xì)粉，工藝復(fù)雜，且熱壓設(shè)備成本過高，限制了其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。此外，c.g.bo等人把tih2、al和tic等原料與有機(jī)溶劑在超聲波機(jī)分散后，采用噴霧干燥法造粒制備出球形原料，最后在真空中燒結(jié)得到鈦二鋁碳塊體，經(jīng)過研磨和篩分得到多孔鈦二鋁碳球形粉體，但是物相結(jié)果中發(fā)現(xiàn)存在大量的ti3alc2和al2o3雜相，且制備工藝過于繁雜，成本過高，難以應(yīng)用(c.g.bo等.專利，2016，cn201610218497.3)。還有研究人員利用等離子放電燒結(jié)技術(shù)(sps)來制備鈦二鋁碳：b.c.mei等人以ti、al、c粉為原料，在30mpa、1100℃條件下通過sps保溫1h得到較純的鈦二鋁碳塊體，相對致密度達(dá)99.8％(b.c.mei等.mater.lett.，2005，59(1)，131-134)；j.f.zhang等人以ti粉、al粉和碳粉為原料，利用sps燒結(jié)10～15min得到主相為鈦二鋁碳塊體，研磨后得到鈦二鋁碳粉體，但是在最后的物相結(jié)果中發(fā)現(xiàn)有雜相的存在(j.f.zhang等.專利，2016，cn201610060019.4)。r.shrinivas等人利用化學(xué)氣相沉積(cvd)技術(shù)在tial粉上原位生長出碳納米管(cnts)的混合物，最后利用sps技術(shù)制備出單相的鈦二鋁碳塊體(r.shrinivas等.j.alloy.compd.，2010，490(1-2)，155-159)；f.yang等人球磨ti和al粉得到tial，再將tial粉與石墨粉混合后1100℃sps燒結(jié)得到鈦二鋁碳塊體(f.yang等.專利，2011，cn102139370a)。sps制備鈦二鋁碳塊體雖熱具有速度快、樣品致密度高的優(yōu)點(diǎn)，但是最后塊體需要大量時間研磨成粉末，且成本高、工藝復(fù)雜和難以產(chǎn)業(yè)化。近年來，燃燒法即自蔓延(shs)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制備鈦二鋁碳：j.m.guo等人以ti、al、c粉為原料，燃燒制備了鈦二鋁碳粉體，但是產(chǎn)物中含有少量的ti3alc2和tic雜相(j.m.guo等.acta.metall.sin.，2003，39(3)，315-319)；c.l.yeh等人在ti、al、c原料中添加tic和al4c3，再利用shs技術(shù)成功將產(chǎn)物中鈦二鋁碳純度從85wt.％提高到90wt.％(c.l.yeh等.j.alloy.compd.，2009，470(1-2)，424-428)；b.c.mei等人以ti、tic、al和c粉作為原料，在微波燒結(jié)爐中點(diǎn)燃，制備出晶粒細(xì)小的鈦二鋁碳粉體(b.c.mei等.專利，2007，cn101037201a)；j.m.guo等人以ti，al，c粉為原料，ti和c粉作為引燃劑，用電阻絲點(diǎn)燃反應(yīng)物，得到鈦二鋁碳粉體(j.m.guo等.專利，2009，cn101531531a)。雖然燃燒合成法可以直接制備出鈦二鋁碳粉體，但是產(chǎn)物純度較低，往往含有大量的ti3alc2和tic等雜相，且工藝復(fù)雜，限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用。z.w.liu等人將混合均勻的ti、al、c粉冷壓成型后放入爐中加熱到700～800℃左右，使用功率為1～1.5kw超聲輔助熱爆燒結(jié)獲得鈦二鋁碳塊體，但是產(chǎn)物物相結(jié)果顯示有很多tic和ti3alc2雜相殘留(z.w.liu等.專利，2015，cn201510743014.7)；y.liu等人以ti、al和tic粉為原料，也同樣通過熱爆反應(yīng)制備出鈦二鋁碳塊體，研磨后經(jīng)過酸洗獲得較純的鈦二鋁碳粉體，但是該方法設(shè)備昂貴、過程復(fù)雜，產(chǎn)物經(jīng)過酸洗還是存在大量tic雜相(y.liu等.專利，2015，cn201510658890.x)。

因此，從工業(yè)化生產(chǎn)的角度出發(fā)，不能使用hp、hip、sps、shs以及熱爆等高成本工藝復(fù)雜的燒結(jié)設(shè)備，應(yīng)該采用常壓燒結(jié)技術(shù)，在較短的時間內(nèi)生產(chǎn)出純度較高的鈦二鋁碳粉末，降低生產(chǎn)成本，提高效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目是提供一種常壓制備高純鈦二鋁碳粉體材料的方法，該方法成本低廉、工藝簡單和易產(chǎn)業(yè)化，制備的鈦二鋁碳粉體純度高。該方法改變傳統(tǒng)的較為復(fù)雜制備工藝，直接使用tic、ti、al粉混合的方式，以常壓燒結(jié)技術(shù)替代昂貴的真空、熱壓、熱等靜壓、自蔓延、微波和sps等燒結(jié)技術(shù)，在1200～1600℃范圍內(nèi)合成高純度的高純鈦二鋁碳粉體，解決現(xiàn)有制備技術(shù)中存在的過程復(fù)雜、制備時間長、設(shè)備昂貴以及產(chǎn)物純度低等問題。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種常壓制備高純鈦二鋁碳粉體材料的方法，該方法包括以下步驟：

1)按摩爾比tic:ti:al＝(0.6～1.2):(0.9～1.5):(1～1.5)稱取原料tic粉、ti粉、al粉；

2)將步驟1)中稱取的原料混合均勻，得到混合粉料；

3)將步驟2)得到的混合粉料置于燒結(jié)爐中，在保護(hù)性氣氛或真空保護(hù)下加熱到1200～1600℃，之后保持30～180min，冷卻后得到高純度的鈦二鋁碳粉體材料。

其中：

步驟2)中所述原料混合均勻是指將稱取的原料在混粉機(jī)中混合5～25h，得到混合粉料。

步驟3)中所述的保護(hù)性氣氛為ar氣。

步驟3)中所述的燒結(jié)爐為普通燒結(jié)爐，所述加熱到1200～1600℃的升溫速率為4～12℃/min。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)直接使用tic、ti、al粉作為初始原料，所有原料簡單易得；

2)工藝簡單，直接將初始原料混合即可，不需要經(jīng)過高能機(jī)械球磨和冷壓等成型過程，生產(chǎn)效率高，節(jié)約成本；

3)在常壓下普通燒結(jié)爐中，保護(hù)性氣氛或真空保護(hù)下，1200～1600℃范圍短時間內(nèi)直接合成高純鈦二鋁碳，設(shè)備簡單、成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)；

4)產(chǎn)物純度高，在xrd圖譜中無明顯tic和ti3alc2等雜質(zhì)相存在；

5)該技術(shù)制備出的高純鈦二鋁碳粉末具有典型的層片狀結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明常壓燒結(jié)制備出的鈦二鋁碳粉體的x-ray衍射(xrd)圖譜；

圖2是本發(fā)明常壓燒結(jié)制備出的鈦二鋁碳粉體的掃描電鏡(sem)圖片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述：

實(shí)施例1：

按照tic:ti:al＝0.6:0.9:1的摩爾比配料，稱取tic粉10.26克、ti粉12.31克、al粉7.71克，放入塑料瓶中，以zro2球?yàn)榻橘|(zhì)，在混粉機(jī)上混合5h，將混合后的粉末放入普通管式爐中，ar氣氛或真空保護(hù)，以4℃/min的升溫速率升溫至1200℃，保溫30min，冷卻后即可制的高純度鈦二鋁碳粉體。

實(shí)施例2：

按照tic:ti:al＝0.6:0.9:1.5的摩爾比配料，稱取tic粉10.26克、ti粉12.31克、al粉11.56克，放入塑料瓶中，以zro2球?yàn)榻橘|(zhì)，在混粉機(jī)上混合6h，將混合后的粉末放入普通管式爐中，ar氣氛或真空保護(hù)，以5℃/min的升溫速率升溫至1250℃，保溫40min，冷卻后即可制的高純度鈦二鋁碳粉體。

實(shí)施例3：

按照tic:ti:al＝0.6:1.5:1的摩爾比配料，稱取tic粉10.26克、ti粉20.51克、al粉7.71克，放入塑料瓶中，以zro2球?yàn)榻橘|(zhì)，在混粉機(jī)上混合7h，將混合后的粉末放入普通管式爐中，ar氣氛或真空保護(hù)，以6℃/min的升溫速率升溫至1300℃，保溫50min，冷卻后即可制的高純度鈦二鋁碳粉體。

實(shí)施例4：

按照tic:ti:al＝0.6:1.5:1.5的摩爾比配料，稱取tic粉10.26克、ti粉20.51克、al粉11.56克，放入塑料瓶中，以zro2球?yàn)榻橘|(zhì)，在混粉機(jī)上混合8h，將混合后的粉末放入普通管式爐中，ar氣氛或真空保護(hù)，以7℃/min的升溫速率升溫至1320℃，保溫55min，冷卻后即可制的高純度鈦二鋁碳粉體。

實(shí)施例5：

按照tic:ti:al＝0.8:1.1:1.1的摩爾比配料，稱取tic粉13.68克、ti粉15.04克、al粉8.48克，放入塑料瓶中，以zro2球?yàn)榻橘|(zhì)，在混粉機(jī)上混合12h，將混合后的粉末放入普通管式爐中，ar氣氛或真空保護(hù)，以8℃/min的升溫速率升溫至1350℃，保溫60min，冷卻后即可制的高純度鈦二鋁碳粉體。

實(shí)施例6：

按照tic:ti:al＝1.0:1.3:1.3的摩爾比配料，稱取tic粉17.11克、ti粉17.78克、al粉10.02克，放入塑料瓶中，以zro2球?yàn)榻橘|(zhì)，在混粉機(jī)上混合18h，將混合后的粉末放入普通管式爐中，ar氣氛或真空保護(hù)，以10℃/min的升溫速率升溫至1450℃，保溫120min，冷卻后即可制的高純度鈦二鋁碳粉體。

實(shí)施例7：

按照tic:ti:al＝1.2:1.5:1.5的摩爾比配料，稱取tic粉20.53克、ti粉20.51克、al粉11.56克，放入塑料瓶中，以zro2球?yàn)榻橘|(zhì)，在混粉機(jī)上混合25h，將混合后的粉末放入普通管式爐中，ar氣氛或真空保護(hù)，以12℃/min的升溫速率升溫至1600℃，保溫180min，冷卻后即可制的高純度鈦二鋁碳粉體。

實(shí)施例8：

按照tic:ti:al＝1.2:1.5:1的摩爾比配料，稱取tic粉20.53克、ti粉20.51克、al粉7.71克，放入塑料瓶中，以zro2球?yàn)榻橘|(zhì)，在混粉機(jī)上混合20h，將混合后的粉末放入普通管式爐中，ar氣氛或真空保護(hù)，以11℃/min的升溫速率升溫至1550℃，保溫160min，冷卻后即可制的高純度鈦二鋁碳粉體。

實(shí)施例9：

按照tic:ti:al＝1.2:0.9:1.5的摩爾比配料，稱取tic粉20.53克、ti粉12.31克、al粉11.56克，放入塑料瓶中，以zro2球?yàn)榻橘|(zhì)，在混粉機(jī)上混合16h，將混合后的粉末放入普通管式爐中，ar氣氛或真空保護(hù)，以11℃/min的升溫速率升溫至1500℃，保溫140min，冷卻后即可制的高純度鈦二鋁碳粉體。

所制備的鈦二鋁碳粉體的xrd圖譜如圖1所示。由圖可見，產(chǎn)物純度高，在xrd結(jié)果中無明顯ti3alc2和tic雜相存在。鈦二鋁碳粉體的形貌如圖2所示，由圖可見，鈦二鋁碳顆粒呈現(xiàn)典型的層片狀結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸在10μm范圍內(nèi)。