一種鋁氮化鈦／二硼化鈦復合材料及其制備方法技術

本發(fā)明專利技術涉及陶瓷基復合材料領域，具體為一種鋁氮化鈦／二硼化鈦復合材料及其制備方法。復合材料由二硼化鈦顆粒增強相均勻的彌散分布于鋁氮化鈦基體組成，復合材料中鋁氮化鈦與二硼化鈦的摩爾比為2:1，其中二硼化鈦的晶粒尺寸在1微米以下。原料鈦粉、鋁粉和氮化硼粉的摩爾比為5:2:2，經物理機械方法混合8～24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10～20MPa；在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為1～20℃/分鐘，燒結溫度為900～1600℃、燒結時間為0.5～2小時、燒結壓強為10～40MPa。采用本發(fā)明專利技術方法能夠實現原位合成二硼化鈦顆粒同時增強鋁氮化鈦基體，復合材料的電導率、硬度和抗彎強度均比純的鋁氮化鈦有較大幅度的提高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及陶瓷基復合材料領域，具體為一種原位合成二硼化鈦(TiB2)顆粒增強鋁氮化鈦(Ti2AlN)基復合材料及其制備方法。
技術介紹
Ti2AlN是一種新型的三元層狀陶瓷材料。文獻I =ScriptaMater..2007(56):1115-1118中Lin等人研究表明它綜合了陶瓷和金屬的諸多優(yōu)點，具有低密度、高模量、抗熱震等特點，因而在航空、航天、核工業(yè)、燃料電池和電子信息等高新
都有著潛在的廣泛應用前景。由于純的Ti2AlN強度和硬度偏低，限制了其作為結構材料的應用。引入硬質陶瓷顆粒是提高三元層狀陶瓷強度的有效方法之一。作為一種引入顆粒增強相的方法，原位合成具有相界面潔凈、力學性能好等優(yōu)點；另外，由于增強相是原位合成的，與通常的先制備出增強相，再和基體機械混合方法相比，制備成本大為降低。其它方面，目前制備Ti2AlN陶瓷原料通常使用的是TiN、AlN等成本較高的物質，限制了 Ti2AlN的推廣應用。目前，關于原位顆粒增強Ti2AlN的報道還非常少見。文獻2:US Patent007459408B2中Li等人通過原位反應制備了 Al2O3彌散強化的Ti2AlN復合材料，研究發(fā)現Al2O3顆粒的加入可以顯著提高Ti2AlN的力學性能，改善Ti2AlN的抗氧化性。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種力學性能好、操作簡單、工藝條件容易控制、成本低的鋁氮化鈦/二硼化鈦復合材料及其制備方法。本專利技術的技術方案是:一種鋁氮化鈦/ 二硼化鈦復合材料，復合材料包括二硼化鈦顆粒增強相和鋁氮化鈦基體，二硼化鈦顆粒增強相均勻的彌散分布于鋁氮化鈦基體，復合材料中鋁氮化鈦與二硼化鈦的摩爾比為2:1，其中二硼化鈦的晶粒尺寸在I微米以下(優(yōu)選0.2 I微米)。所述的鋁氮化鈦/ 二硼化鈦復合材料的制備方法，原料鈦粉、鋁粉和氮化硼粉，Ti:A1:BN的摩爾比為5:2:2 ;原料粉經物理機械方法混合8 24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10 20MPa，5 10分鐘；在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為I 20°C /分鐘，燒結溫度為900 1600°C、燒結時間為0.5 2小時、燒結壓強為10 40MPa。原料粉原位熱壓發(fā)生的化學反應為:5Ti + 2A1 + 2BN — 2Ti2AlN + TiB2 (I)所述氮化硼粉粒度范圍為0.5 10微米，氮化硼粉的晶體結構(晶型)為六方氮化硼；鋁粉和鈦粉粒度范圍為200 400目。所述燒結方式為熱壓燒 結或壓力輔助燃燒合成。所述惰性氣體為氬氣或氦氣。所述物理機械方法混合為在聚氨酯球磨罐中干混或在酒精介質中球磨。本專利技術中，鋁氮化鈦/ 二硼化鈦復合材料的性能如下:彎曲強度為300 600MPa ;硬度為6 9GPa ；電導率為6 X IO6 8 X IO6 Ω.πΓ1 ；密度為4.0 4.6g.cm 3o本專利技術的優(yōu)點是:1、增強相與基體間的界面純凈，力學性能好。采用本專利技術方法能夠實現原位合成二硼化鈦顆粒同時增強鋁氮化鈦基體。該復合材料的電導率、硬度和抗彎強度均比純的鋁氣化欽有較大幅度的提聞。2、工藝簡單，成本低。使用氮化硼粉為原料大大降低了鋁氮化鈦的合成成本。在升溫過程中，超過某一溫度(如700°C)后，反應體系中將發(fā)生劇烈放熱反應，瞬間放熱達到的高溫將使原本只有在更高溫度條件下才能出現的鋁氮化鈦和二硼化鈦得以生成。這就使得合成溫度大大降低，從而降低了燒結成本。進一步提高溫度是為了使反應進行得更徹底，同時有利于材料的致密化。3、本專利技術鋁氮化鈦/ 二硼化鈦復合材料具有低密度、高模量和高強度等特點，同時鋁氮化鈦和二硼化鈦二者都具有良好的導電性。因此，該復合材料不僅可以作為航空、航天應用的備選結構材料，也可以考慮作為一種導電陶瓷使用。附圖說明圖1為本專利技術制備的Ti2AlN-TiB2復合材料的X射線衍射譜。圖2為本專利技術Ti2AlN-TiB2復合材料的表面形貌照片。具體實施例方式下面通過實施 例詳述本專利技術。實施例1將粒度為0.5 10微米的六方氮化硼粉7.5克、粒度為200目的鋁粉8.2克和粒度為200目的鈦粉34.3克在聚氨酯球磨罐中球磨24小時，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為20MPa，保壓10分鐘；然后，放入熱壓爐中熱壓燒結，升溫速率為20°C /分鐘，加熱到900°C保溫2小時，同時壓力逐漸加到40MPa。整個燒結過程都是在氬氣(或氦氣)保護下進行。本實施例中，復合材料主要由Ti2AlN和TiB2兩相組成，復合材料中鋁氮化鈦與二硼化鈦的摩爾比為2:1，其中二硼化鈦的晶粒尺寸為0.2 I微米。材料性能測試表明:得到的復合材料的彎曲強度為350MPa，硬度為7.2GPa ;電導率為ΘΧΙΟΜ-1.πΓ1，密度為4.0g.cnT3。實施例2將粒度為0.5 10微米的六方氮化硼粉7.5克、粒度為200目的鋁粉8.2克和粒度為300目的鈦粉34.3克在聚氨酯球磨罐中球磨12小時，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為15MPa，保壓10分鐘；然后，放入熱壓爐中熱壓燒結，升溫速率為15°C /分鐘，加熱到1400°C保溫I小時，同時壓力逐漸加到30MPa。整個燒結過程都是在氬氣保護下進行。將獲得的反應產物進行XRD分析(見圖1)，可以發(fā)現制備的復合材料僅由Ti2AlN和TiB2兩相組成，復合材料中鋁氮化鈦與二硼化鈦的摩爾比為2:1，其中二硼化鈦的晶粒尺寸0.2 I微米。在制備的復合材料中TiB2顆粒(灰色)較為均勻的彌散分布在Ti2AlN基體中，同時可以發(fā)現基體中有微量的Al2O3雜質相(見圖2)。材料性能測試表明:得到的復合材料的彎曲強度為520MPa，硬度為8.7GPa ;電導率為6.9 X IO6 Q—V1，密度為4.3g cm—3。實施例3將粒度為0.5 10微米的六方氮化硼粉7.5克、粒度為300目的鋁粉8.2克和粒度為200目的鈦粉34.3克在聚氨酯球磨罐中球磨8小時，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為lOMPa，保壓5分鐘；然后，放入熱壓爐中熱壓燒結，升溫速率為I 5°C /分鐘，加熱到1600°C保溫0.5小時，同時壓力逐漸加到lOMPa。整個燒結過程都是在氬氣保護下進行。本實施例中，復合材料由Ti2AlN和TiB2兩相組成，復合材料中鋁氮化鈦與二硼化鈦的摩爾比為2:1，其中二硼化鈦的晶粒尺寸為0.2 I微米。材料性能測試表明:得到的復合材料的彎曲強度為402MPa，硬度為8.2GPa ;電導率為6.5X106Q-1 m—1，密度為4.6g cm-3。比較例 通過原位熱壓反應制備了單相的Ti2AlN陶瓷，具體步驟為將粒度為2 10微米的氮化鈦粉22.5克、粒度為200目的鋁粉10克和粒度為400目的鈦粉17.5克在球磨罐中球磨12小時，之后裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為15MPa，保壓10分鐘；然后，放入熱壓爐中熱壓燒結，升溫速率為15°C /分鐘，加熱到1400°C保溫I小時，同時壓力逐漸加到30MPa。整個燒結過程都是在氬氣保護下進行。材料性能測試表明:得到的Ti2AlN陶瓷材料的彎曲強度為350MPa，硬度為4GPa ;電導率為4X IO6Q-1 m—1，密度為4.2g cm—3。通過與實施例2比較本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鋁氮化鈦／二硼化鈦復合材料，其特征在于：復合材料包括二硼化鈦顆粒增強相和鋁氮化鈦基體，二硼化鈦顆粒增強相均勻的彌散分布于鋁氮化鈦基體，復合材料中鋁氮化鈦與二硼化鈦的摩爾比為2:1，其中二硼化鈦的晶粒尺寸在1微米以下。

【技術特征摘要】
1.一種鋁氮化鈦/ 二硼化鈦復合材料，其特征在于:復合材料包括二硼化鈦顆粒增強相和鋁氮化鈦基體，二硼化鈦顆粒增強相均勻的彌散分布于鋁氮化鈦基體，復合材料中鋁氮化鈦與二硼化鈦的摩爾比為2:1，其中二硼化鈦的晶粒尺寸在I微米以下。2.按照權利要求1所述的鋁氮化鈦/二硼化鈦復合材料，其特征在于:二硼化鈦的晶粒尺寸為0.2 I微米。3.—種權利要求1所述的鋁氮化鈦/ 二硼化鈦復合材料的制備方法，其特征在于:原料鈦粉、鋁粉和氮化硼粉，Ti:A1:BN的摩爾比為5:2:2 ;原料粉經物理機械方法混合8 24小時，裝入石墨模具中冷壓成型，施加的壓強為10 20MPa，5 10分鐘；在通有惰性氣體保護氣氛的熱壓爐內燒結，升溫速率為I 20°C /分鐘，燒結溫度為900 1600°C、燒結時間為0.5 2小時、燒結壓強為10 ...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：陳繼新，趙國瑞，周延春，
申請(專利權)人：中國科學院金屬研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：