AlC塊體陶瓷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種機(jī)械活化熱壓制備Ta2AlC塊體陶瓷的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] Ta2AlC是一種新型三元納米層狀陶瓷，由Jeitschko等人（W. Jeitschko, H. Nowotny, F. Benesovsky. Monatsch. Chem. 1963 ;94:672)在 60 年代最早發(fā)現(xiàn)的，其晶體結(jié)構(gòu) 屬于六方晶系，空間群為P63/mmc，晶格參數(shù)為a=3.075A，c=13.83A。Ta2AlC陶瓷集金屬和 陶瓷的優(yōu)點(diǎn)于一體，既像金屬一樣具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、機(jī)械加工性、抗熱震性及較 高的損傷容限，又與陶瓷一樣具有較高的熔點(diǎn)、彈性模量及斷裂韌性等性能。Ta2AlC優(yōu)異的 綜合性能使其在航天航空、核工業(yè)、機(jī)械、電子信息等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 目前的研宄表明，Ta2AlC塊體主要是通過熱等靜壓法和熱壓法等工藝制備而成， 如Gupta等（美國陶瓷協(xié)會，J. Am. Ceram. Soc. 89(2006)2974)采用熱等靜壓法在1600°C， IOOMPa下熱等靜壓8h制得高純度的Ta2AlC塊體陶瓷。胡春峰等（材料研宄雜志，Int. J. Mater. Res. 99 (2008) 8)采用原位反應(yīng)/熱壓法，以Ta、Al和C粉為原料，在1550°C，30MPa 壓力下熱壓30min后，在1400°C熱處理60min得到單相Ta2AlC塊體陶瓷。但是這兩類工藝 不僅設(shè)備昂貴，而且合成溫度高、反應(yīng)時(shí)間長、生產(chǎn)效率低；經(jīng)過長時(shí)間的加熱，材料組織粗 化，導(dǎo)致其力學(xué)性能降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)Ta2AlC塊體陶瓷的合成溫度高、制備時(shí)間長、生產(chǎn)效 率低、成本高及得到的Ta 2AlC塊體材料組織粗化的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種機(jī)械 活化熱壓技術(shù)制備Ta2AlC塊體陶瓷的方法，該方法結(jié)合機(jī)械合金化和熱壓燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，采 用該方法制得的Ta 2AlC塊體陶瓷純度高、致密化好。
[0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明提供的一種機(jī)械活化熱壓制備Ta2AlC塊體陶瓷的方法，包括以 下步驟：
[0006] (1)將鉭粉、鋁粉和碳粉置入球磨罐中，真空條件下，在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行高能 球磨機(jī)械活化，得活化的混合粉料；
[0007] (2)過篩后，將活化的混合粉料置入石墨模具中預(yù)壓成型，得預(yù)制坯；
[0008] (3)將預(yù)制坯和石墨模具置于高溫?zé)釅簾Y(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下升溫至1300~ 1500°C后保溫?zé)Y(jié)30~60min ;冷卻至室溫，即得Ta2AlC塊體陶瓷。
[0009] 步驟（1)中，所述鉭粉、鋁粉和碳粉的摩爾比為2: (1~1. 4) : (0. 7~1)。
[0010] 步驟（1)中，原料鉭粉、鋁粉和石墨粉均采用高純度的單質(zhì)粉體，鉭粉中鉭的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)在99%以上，鋁粉中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99%以上，石墨粉中的石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99%以 上。
[0011] 步驟（1)中，行星式球磨機(jī)中球料比為5:1~50:1 ;球磨轉(zhuǎn)速為500~1000r/min， 球磨時(shí)間為1~8h。真空條件的獲得方法：將球磨罐進(jìn)行抽真空-充氬氣-抽真空，以上 操作重復(fù)三次。
[0012] 步驟（2)中，活化的混合粉料過篩后再預(yù)壓成型；篩網(wǎng)為300-400目篩，優(yōu)選325 目篩；以保證顆粒大小均勻性。
[0013] 步驟⑵中，預(yù)壓壓力為10~30MPa ;石墨t旲具為涂有BN的石墨t旲具。
[0014] 步驟（3)中，升溫速率為10~30°C /min ;保溫?zé)Y(jié)時(shí)，體系壓力為30~50MPa。
[0015] 有益效果：本發(fā)明方法具有合成溫度低、反應(yīng)速度快、制備時(shí)間短、成本低的優(yōu)點(diǎn)， 制得的Ta 2AlC塊體陶瓷具有純度高、致密度高、晶粒細(xì)小且力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)。
[0016] 具體而言，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下突出的優(yōu)勢：
[0017] 1.本發(fā)明將原料粉末進(jìn)行高能球磨機(jī)械活化，粉末在較短時(shí)間內(nèi)細(xì)化并混合均 勻，減少了球磨罐及高能磨球?qū)υ系奈廴?，得到的原料混合粉末較為純凈。
[0018] 2.本發(fā)明在高能球磨機(jī)械活化過程中，原料粉末內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變、缺陷和大量 納米晶界、相界，使系統(tǒng)儲能很高，極大地提高粉末活性，并改善顆粒分布均勻性。
[0019] 3.本發(fā)明高能球磨機(jī)械活化后的粉末活性較高，不僅可降低后期合成溫度，而且 反應(yīng)時(shí)間也減少。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明機(jī)械活化熱壓制得的Ta2AlC塊體陶瓷斷口的SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 本發(fā)明使用的原料鉭粉、鋁粉和石墨粉均采用高純度的單質(zhì)粉體，鉭粉中鉭的質(zhì) 量分?jǐn)?shù)在99%以上，鋁粉中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99%以上，石墨粉中的石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99% 以上。
[0022] 實(shí)施例1
[0023] 機(jī)械活化熱壓制備Ta2AlC塊體陶瓷，包括以下步驟：
[0024] (1)以鉭粉、鋁粉和石墨粉為原料，按Ta:Al:C = 2:1. 2:1的摩爾比配料；
[0025] (2)將上述配料置入球磨罐中，球料比5:1，將球磨罐進(jìn)行抽真空-充氬氣-抽真 空，以上操作重復(fù)三次，然后在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行高能球磨機(jī)械活化，球磨轉(zhuǎn)速為500r/ min，球磨時(shí)間為4h ;過325目篩；
[0026] (3)混合粉料機(jī)械活化后，置入涂有BN的石墨模具中預(yù)壓成型，預(yù)壓壓力為 IOMPa ；
[0027] (4)將冷壓成型的預(yù)制坯及模具放在高溫?zé)釅簾Y(jié)爐中，在Ar氣保護(hù)下，以20°C/ min升溫至1500°C，在30MPa壓力下保溫?zé)Y(jié)60min。保溫結(jié)束后隨爐冷卻至室溫，即得 Ta2AlC塊體陶瓷。
[0028] 實(shí)施例2
[0029] 機(jī)械活化熱壓制備Ta2AlC塊體陶瓷，包括以下步驟：
[0030] (1)以鉭粉、鋁粉和石墨粉為原料，按Ta:Al:C = 2:1. 4:1的摩爾比配料；
[0031] (2)將上述配料置入球磨罐中，球料比10:1，將球磨罐進(jìn)行抽真空-充氬氣-抽真 空，以上操作重復(fù)三次，然后在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行高能球磨機(jī)械活化，球磨轉(zhuǎn)速為600r/ min，球磨時(shí)間為3h ;過325目篩；
[0032] (3)混合粉料機(jī)械活化后，置入涂有BN的石墨模具中預(yù)壓成型，預(yù)壓壓力為 20MPa ；
[0033] (4)將冷壓成型的預(yù)制坯及模具放在高溫?zé)釅簾Y(jié)爐中，在Ar氣保護(hù)下，以KTC / min升溫至1400°C，在30MPa壓力下保溫?zé)Y(jié)60min。保溫結(jié)束后隨爐冷卻至室溫，即得 Ta2AlC塊體陶瓷。
[0034] 實(shí)施例3
[0035] 機(jī)械活化熱壓制備Ta2AlC塊體陶瓷，包括以下步驟：
[0036] (1)以鉭粉、鋁粉和石墨粉為原料，按Ta:Al:C = 2:1. 2:0. 9的摩爾比配料；
[0037] (2)將上述配料置入球磨罐中，球料比10:1，將球磨罐進(jìn)行抽真空-充氬氣-抽真 空，以上操作重復(fù)三次，然后在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行高能球磨機(jī)械活化，球磨轉(zhuǎn)速為1000 r/ min，球磨時(shí)間為5h ;過325目篩；
[0038] (3)混合粉料機(jī)械活化后，置入涂有BN的石墨模具中預(yù)壓成型，預(yù)壓壓力為 20MPa ；
[0039] (4)將冷壓成型的預(yù)制坯及模具放在高溫?zé)釅簾Y(jié)爐中，在Ar氣保護(hù)下，以30°C/ min升溫至1450°C，在50MPa壓力下保溫?zé)Y(jié)30min。保溫結(jié)束后隨爐冷卻至室溫，即得 Ta2AlC塊體陶瓷。
[0040] 實(shí)施例4
[0041] 機(jī)械活化熱壓制備Ta2AlC塊體陶瓷，包括以下步驟：
[0042] (1)以鉭粉、鋁粉和石墨粉為原料，按Ta:Al:C = 2:1:0. 7的摩爾比配料；
[0043] (2)將上述配料置入球磨罐中，球料比50:1，將球磨罐進(jìn)行抽真空-充氬氣-抽真 空，以上操作重復(fù)三次，然后在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行高能球磨機(jī)械活化，球磨轉(zhuǎn)速為800r/ min，球磨時(shí)間為Ih ;過300目篩；
[0044] (3)混合粉料機(jī)械活化后，置入涂有BN的石墨模具中預(yù)壓成型，預(yù)壓壓力為 30MPa ；
[0045] (4)將冷壓成型的預(yù)制坯及模具放在高溫?zé)釅簾Y(jié)爐中，在Ar氣保護(hù)下，以20°C/ min升溫至1300°C，在40MPa壓力下保溫?zé)Y(jié)40min。保溫結(jié)束后隨爐冷卻至室溫，即得 Ta2AlC塊體陶瓷。
[0046] 實(shí)施例5
[0047] 機(jī)械活化熱壓制備Ta2AlC塊體陶瓷，包括以下步驟：
[0048] (1)以鉭粉、鋁粉和石墨粉為原料，按Ta:Al:C = 2:1. 2:0. 8的摩爾比配料；
[0049] (2)將上述配料置入球磨罐中，球料比30:1，將球磨罐進(jìn)行抽真空-充氬氣-抽真 空，以上操作重復(fù)三次，然后在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行高能球磨機(jī)械活化，球磨轉(zhuǎn)速為800r/ min，球磨時(shí)間為8h ;過400目篩；
[0050] (3)混合粉料機(jī)械活化后，置入涂有BN的石墨模具中預(yù)壓成型，預(yù)壓壓力為 20MPa ；
[0051] (4)將冷壓成型的預(yù)制坯及模具放在高溫?zé)釅簾Y(jié)爐中，在Ar氣保護(hù)下，以20°C/ min升溫至1350°C，在40MPa壓力下保溫?zé)Y(jié)50min。保溫結(jié)束后隨爐冷卻至室溫，即得 Ta2AlC塊體陶瓷。
[0052] 以上所述，僅是本發(fā)明較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明做任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技 術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種機(jī)械活化熱壓制備Ta2A1C塊體陶瓷的方法，其特征在于：包括以下步驟： (1) 將鉭粉、鋁粉和碳粉置入球磨罐中，真空條件下，在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨 機(jī)械活化，得活化的混合粉料； (2) 將活化的混合粉料置入石墨模具中預(yù)壓成型，得預(yù)制坯； (3) 將預(yù)制坯和石墨模具置于高溫?zé)釅簾Y(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下升溫至1300~1500°C 后保溫?zé)Y(jié)30~60min;冷卻至室溫，即得Ta2AlC塊體陶瓷。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械活化熱壓制備Ta2A1C塊體陶瓷的方法，其特征在 于：步驟⑴中，所述鉭粉、鋁粉和碳粉的摩爾比為2: (1~1. 4) : (0. 7~1)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械活化熱壓制備Ta2A1C塊體陶瓷的方法，其特征在 于：步驟（1)中，鉭粉中鉭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99%以上，鋁粉中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99%以上，石墨 粉中的石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99%以上。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械活化熱壓制備Ta2A1C塊體陶瓷的方法，其特征在 于：步驟（1)中，行星式球磨機(jī)中球料比為5:1~50:1 ;球磨轉(zhuǎn)速為500~1000r/min，球磨 時(shí)間為1~8h。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械活化熱壓制備Ta2A1C塊體陶瓷的方法，其特征在 于：步驟（2)中，活化的混合粉料過篩后再預(yù)壓成型；篩網(wǎng)為300-400目篩，優(yōu)選325目篩。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械活化熱壓制備Ta2A1C塊體陶瓷的方法，其特征在 于：步驟（2)中，預(yù)壓壓力為10~30MPa;石墨t旲具為涂有BN的石墨t旲具。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種機(jī)械活化熱壓制備Ta2A1C塊體陶瓷的方法，其特征在 于：步驟（3)中，升溫速率為10~30°C/min;保溫?zé)Y(jié)時(shí)，體系壓力為30~50MPa。
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種機(jī)械活化熱壓制備Ta2AlC塊體陶瓷的方法，包括以下步驟：將鉭粉、鋁粉和碳粉置入球磨罐中，真空條件下，在行星式球磨機(jī)中進(jìn)行高能球磨機(jī)械活化，得活化的混合粉料；過篩后，將活化的混合粉料置入石墨模具中預(yù)壓成型，得預(yù)制坯；將預(yù)制坯和石墨模具置于高溫?zé)釅簾Y(jié)爐中，在氬氣保護(hù)下升溫至1300～1500℃后保溫?zé)Y(jié)30～60min；冷卻至室溫，即得Ta2AlC塊體陶瓷。本發(fā)明方法具有合成溫度低，反應(yīng)速度快，制備時(shí)間短，成本低的優(yōu)點(diǎn)，且制備出的Ta2AlC塊體陶瓷具有純度高、致密度高、晶粒細(xì)小且力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)。
【IPC分類】C04B35/626, C04B35/56, C04B35/65
【公開號】CN104909757
【申請?zhí)枴緾N201510268208
【發(fā)明人】應(yīng)國兵, 田寶娜, 王乘, 張晨
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2015年5月22日