一种铝碳化钛/硅化钛复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种原位合成硅化钛(Ti5Si3)颗粒增强铝碳化钛(Ti3AlC2)基复合材料及其制备方法。通过加入一定量的硅，制备出不同体积比的Ti3AlC2/Ti5Si3复合材料，其中硅化钛颗粒增强相的体积百分数为10～40％。具体制备方法是：首先，以钛粉、铝粉、硅粉和石墨粉为原料，Ti∶Al∶Si∶C的摩尔比为3∶(1.1－x)∶x∶(1.8～2.0)，其中x为0.1～0.5。原料粉经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中，施加的压强为10～20MPa，在通有保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为10～50℃/分钟，烧结温度为1400～1600℃，烧结时间为0.5～2小时，烧结压强为20～40MPa。本发明可以在较低的温度和较短的时间内制备出具有高纯度、高强度的铝碳化钛/硅化钛复合材料。

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷基复合材料及其制备方法，具体为原位合成一种硅化钛(Ti₅Si₃)颗粒增强铝碳化钛(Ti₃AlC₂)基复合材料及其制备方法。

背景技术

Ti₃AlC₂是一种新型的三元层状陶瓷材料。文献1：材料学报(ActaMaterialia50，3141(2002))中Wang等人研究表明它综合了陶瓷和金属的诸多优点，具有低密度、高模量、抗热震和优良的高温抗氧化性等特点，因而在航空、航天、核工业、燃料电池和电子信息等高新技术领域都有着潜在的广泛应用前景。

由于纯的Ti₃AlC₂强度和硬度偏低，限制了其作为结构材料的应用。引入硬质陶瓷颗粒是提高三元层状陶瓷强度的有效方法之一。作为一种引入颗粒增强相的方法，原位合成具有相界面洁净、力学性能好等优点；另外，由于增强相是原位合成的，与先制备出增强相，再和基体机械混合相比，制备成本大为降低。目前还没有有关原位颗粒增强Ti₃AlC₂的报道。相关文献集中在对另一种与Ti₃AlC₂结构和性质类似的三元层状陶瓷材料，即硅碳化钛(Ti₃SiC₂)的复合材料原位制备上，如文献2：材料快报(Scripta Materialia 34，1809(1996))中Radhakrishnan等人报道了原位制备的Ti₃SiC₂/SiC复合材料，其硬度和断裂韧度有所提高；文献3：合金与化合物期刊(Journal of Alloys and Compounds 350，303(2003))中Ho-Duc等人报道了基体为Ti₃SiC₂，并含有30％体积份数TiC或SiC的复合材料，其结果表明两种复合材料的抗弯强度均比未增强的Ti₃SiC₂基体低，说明增强效果并不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种力学性能好、操作简单、工艺条件容易控制、成本低的铝碳化钛/硅化钛复合材料及其制备方法。

本发明的技术方案是：

原位合成铝碳化钛/硅化钛复合材料，由硅化钛颗粒增强相和铝碳化钛基体组成，其中硅化钛颗粒增强相的体积百分数为10～40％。

所述原位合成铝碳化钛/硅化钛复合材料的制备方法，以单质钛粉、铝粉、硅粉和石墨粉为原料，Ti∶Al∶Si∶C的摩尔比为3∶(1.1-x)∶x∶(1.8～2.0)，其中x为0.1～0.5。原料粉经物理机械方法混合8～24小时，装入石墨模具中冷压，施加的压强为10～20MPa，在通有惰性气体保护气氛的热压炉内烧结，升温速率为10～50℃/分钟，烧结温度为1400～1600℃、烧结时间为0.5～2小时、烧结压强为20～40MPa。本发明可以原位制备出具有较高强度的Ti₃AlC₂/Ti₅Si₃复合材料。

所述加入的钛粉、铝粉、硅粉和石墨粉粒度范围为200～400目；所述烧结方式为热压烧结或热等静压烧结；所述惰性气体为氩气、氦气或氖气；所述物理机械方法混合为在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介质中球磨。

本发明的优点是：

1、增强相与基体间的界面纯净，力学性能好。采用本发明方法能够实现原位合成硅化钛颗粒增强铝碳化钛基体。该复合材料的硬度、压缩强度、抗弯强度均比纯Ti₃AlC₂有较大幅度的提高。由于硅化钛(Ti₅Si₃)具有非常高的熔点(2130℃)和较低的密度(4.32g/cm³)，因而非常适合作为铝碳化钛的增强相。

2、工艺简单，成本低。本发明是通过添加一定量的单质硅，与原料钛发生反应，原位合成硅化钛(Ti₅Si₃)颗粒，作为增强相，而铝碳化钛(Ti₃AlC₂)基体也同时热压反应生成。由于在烧结过程中有液相出现，利用液相的快速传质过程，使化学反应时间大大缩短，又使致密化过程变得非常容易，从而降低了成本。

3、铝碳化钛/硅化钛复合材料既保持了铝碳化钛基体的诸多优点，如具有低密度、高模量、抗热震和优良的高温抗氧化性等特点，同时又提高了强度，因而更加适用于作为一种航空、航天结构材料。

附图说明

图1为不同硅加入量(x)的Ti₃AlC₂/Ti₅Si₃复合材料的X射线衍射谱：(a)x＝0.15；(b)x＝0.25；(c)x＝0.35。随着硅加入量的增加，Ti₅Si₃相的含量也逐渐增加。

图2为Ti₃AlC₂/Ti₅Si₃复合材料抗弯强度随硅加入量的变化。随着硅加入量的增加，抗弯强度也逐渐增加。

具体实施方式

下面通过实例详述本发明。

实施例1

将粒度范围为200～400目的钛粉73.63克、铝粉13.13克、硅粉2.16克和石墨11.08克在球磨罐中球磨8小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为10MPa，放入热压炉中热压烧结。升温速率为10℃/分钟，加热到1400℃保温2小时，同时压力逐渐加到25MPa。整个烧结过程都是在氩气保护下进行。获得的反应产物经X射线衍射分析为Ti₃AlC₂和Ti₅Si₃两相，如图1(a)所示。定量相分析表明Ti₅Si₃的体积含量约为12％。该复合材料的维氏硬度为3.49GPa(载荷为10N)，压缩强度为819MPa，断裂韧度为7.87MPa·m^1/2。

实施例2

将粒度范围为200～400目的钛粉73.59克、铝粉11.74克、硅粉3.6克和石墨11.07克在球磨罐中球磨16小时，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为15MPa，放入热压炉中热压烧结。升温速率为20℃/分钟，加热到1500℃保温1小时，同时压力逐渐加到30MPa。整个烧结过程都是在氩气保护下进行。获得的反应产物经X射线衍射分析为为Ti₃AlC₂和Ti₅Si₃两相，如图1(b)所示。定量相分析表明Ti₅Si₃的体积含量约为20％。该复合材料的维氏硬度为3.79GPa，压缩强度为919MPa，断裂韧度为7.09MPa·m^1/2。

实施例3

将粒度范围为200～400目的钛粉73.55克、铝粉10.36克、硅粉5.03克和石墨11.15克在酒精介质中球磨，之后装入石墨模具中冷压成型，施加的压强为20MPa，放入热压炉中热等静压烧结。升温速率为50℃/分钟，加热到1600℃保温0.5小时，同时压力逐渐加到20MPa。整个烧结过程都是在氩气保护下进行。获得的反应产物经X射线衍射分析为射线衍射分析为Ti₃AlC₂和Ti₅Si₃两相，如图1(c)所示。定量相分析表明Ti₅Si₃的体积含量约为30％。该复合材料的维氏硬度为4.37GPa，压缩强度为966MPa，断裂韧度为7.96MPa·m^1/2。

比较例

采用与实施例1相同的工艺制备了纯Ti₃AlC₂，测得的维氏硬度为3.07GPa；压缩强度为671MPa；断裂韧度为8.15MPa·m^1/2。可见，纯Ti₃AlC₂的断裂韧度与Ti₃AlC₂/Ti₅Si₃复合材料基本相当，而硬度和压缩强度均比纯Ti₃AlC₂高。更为重要的的是，抗弯强度的测试结果表明，各种复合材料均比纯Ti₃AlC₂要高，如图2所示。这与背景技术中文献3提到的原位TiC或SiC颗粒增强Ti₃SiC₂的情况明显不同，他们的结果是复合材料的抗弯强度反而更低。

由实施例1、实施例2、实施例3和比较例可见，本方法制备的Ti₃AlC₂/Ti₅Si₃复合材料具有纯度高、力学性能好等优点，并首次实现了对该类三元层状陶瓷的原位颗粒增强。