一种铌钛铝碳固溶体陶瓷材料及其制备方法

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一种铌钛铝碳固溶体陶瓷材料及其制备方法\n技术领域：\n[0001] 本发明涉及陶瓷材料领域，尤其涉及一种致密的铌钛铝碳(Nb1-xTix)4AlC3固溶体陶瓷材料及其原位制备方法。\n背景技术：\n[0002] 铌铝碳(Nb4AlC3)陶瓷是一种新型的三元层状陶瓷材料，其结合了陶瓷和金属的优点，具有高的电导率和热导率、优良的损伤容限，有延展性和高温塑性，可机械加工，同时又具有较低的密度、高的熔点和弹性模量、低的摩擦系数和良好的自润滑性能，且在三元层状陶瓷家族中具有较高的韧性。更为重要的是铌铝碳陶瓷具有极其优异的高温力学性能，因而在高温结构材料方面具有广阔的应用前景。但是铌铝碳陶瓷自身的室温强度和硬度还不够理想，且抗氧化性能较差，这限制了其作为结构材料的应用。固溶改性是提高三元层状陶瓷材料力学性能和综合性能的有效手段。Salama等通过原位反应热压烧结制备了(Nb,Ti)2AlC固溶体陶瓷，钛的加入使得材料的抗氧化性能有所改善，但力学性能下降。\n发明内容：\n[0003] 本发明的目的在于提供一种致密的铌钛铝碳固溶体陶瓷材料，本发明的另一目的是提供上述铌钛铝碳固溶体陶瓷材料的制备方法。\n[0004] 本发明的技术方案：通过钛固溶置换铌铝碳(Nb4AlC3)中的部分铌来改善铌铝碳陶瓷材料的力学性能和抗氧化性能。以铌粉、氢化钛粉、铝粉和石墨粉为原料，采用原位热压烧结制备方法，固溶和材料的致密化一步完成。\n[0005] 本发明的具体技术方案为：一种铌钛铝碳固溶体陶瓷材料，其特征在于：铌钛铝碳固溶体陶瓷材料的化学式为(Nb1-xTix)4AlC3，Ti取代Nb的原子摩尔取代量x的范围为0＜x≤0.3；优选Ti取代Nb的原子摩尔取代量x的范围为0.05≤x≤0.3。\n[0006] 本发明还提供了上述铌钛铝碳固溶体陶瓷材料的制备方法，其具体步骤为：按铌钛铝碳固溶体陶瓷材料的化学式为(Nb1-xTix)4AlC3(0＜x≤0.3)称取原料铌粉、氢化钛粉、铝粉和石墨粉，原料经物理机械方法混合，装入表面涂有BN的石墨模具中冷压成型，在通有保护气氛的真空热压炉中热压烧结。\n[0007] 优选上述的铌粉粒度为325目筛余；氢化钛粉粒度为300目筛余；铝粉粒度为200目筛余；石墨粉粒度为1200目筛余。\n[0008] 优选上述的物理机械方法混合为滚磨。优选所述的冷压成型压力为1～3MPa。优选烧结过程中的保护气氛为氩气。\n[0009] 优选真空热压炉中热压烧结的工艺为：升温速率为15～25℃/min；烧结温度为\n1680～1720℃，烧结保温时间为1-2小时；烧结压强为25～30MPa。\n[0010] 有益效果：\n[0011] (1)以铌粉、氢化钛粉、铝粉和石墨粉为原料，采用原位热压烧结技术，一步制得铌钛铝碳固溶体陶瓷材料，工艺简单，成本低。\n[0012] (2)采用本发明方法制备的钛铌铝碳(Nb1-xTix)4AlC3固溶体陶瓷材料中钛的固溶度x可在0～0.3之间可调，材料中物相纯净，仅含铌钛铝碳固溶体一相，无NbC、TiC等杂相。\n[0013] (3)采用本发明方法制备的铌钛铝碳陶瓷材料结构致密、晶界干净，材料力学性能优异，抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度相比于铌铝碳陶瓷显著提高。\n[0014] (4)铌钛铝碳固溶体陶瓷材料在1000～1200℃空气中的氧化遵循抛物线规律，与铌铝碳陶瓷相比抗氧化性显著提高。\n附图说明：\n[0015] 图1是实施例1制备的(Nb1-xTix)4AlC3(x＝0.2)固溶体陶瓷材料的XRD图谱；\n[0016] 图2是实施例1制备的(Nb1-xTix)4AlC3(x＝0.2)固溶体陶瓷材料的表面SEM照片；\n[0017] 图3是实施例1制备的(Nb1-xTix)4AlC3(x＝0.2)固溶体陶瓷材料的断口SEM照片。\n具体实施方式：\n[0018] 以下实施例所用原料：铌粉粒度为325目筛余；氢化钛粉粒度为300目筛余；铝粉粒度为200目筛余；石墨粉粒度为1200目筛余。\n[0019] 实施例1\n[0020] 原料粉末按摩尔比Nb:TiH2:Al:C＝3.2:0.8:1.1:2.7配料，称取后于聚乙烯罐中干混24小时，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷压成型,压力3MPa，并于氩气气氛中烧结，升温速率为15℃/min，加热到1700℃保温1小时，压力30MPa。获得的块体材料为(Nb0.8Ti0.2)4AlC3。对制得材料进行XRD分析(如图1所示)，结果表明该材料的物相为单一的(Nb0.8Ti0.2)4AlC3固溶体。对材料表面和断面SEM分析(如图2和图3所示)，层状(Nb0.8Ti0.2)4AlC3晶粒清晰可见，结构致密、均匀。采用阿基米德法测得材料的显气孔率为\n0.09％，在万能试验机上测得材料的三点抗弯强度达到508.9MPa，采用单边缺口梁法测得\n1/2\n材料断裂韧性达到8.4MPa·m ，通过显微硬度仪测得维氏硬度为3.6GPa，通过恒温氧化实\n2\n验测得材料在1000℃空气中氧化20h后单位面积氧化增重为0.35Kg/m。\n[0021] 实施例2\n[0022] 原料粉末按摩尔比Nb:TiH2:Al:C＝3.8:0.2:1.1:2.7配料，称取后于聚乙烯罐中干混24小时，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷压成型，压力1MPa，并于氩气气氛中烧结，升温速率为25℃/min，加热到1680℃保温2小时，压力25MPa，获得块体材料为(Nb0.95Ti0.05)4AlC3。采用阿基米德法测得材料的显气孔率为0.1％，在万能试验机上测得材料的三点抗弯强度达到370.29MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧性达\n1/2\n到7.3MPa·m ，通过显微硬度仪测得维氏硬度为3.1GPa，通过恒温氧化实验测得材料在\n2\n1000℃空气中氧化20h后单位面积氧化增重为0.89Kg/m。\n[0023] 实施例3\n[0024] 原料粉末按摩尔比Nb:TiH2:Al:C＝2.8:1.2:1.1:2.7配料，称取后于聚乙烯罐中干混24小时，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷压成型，压力2MPa，并于氩气气氛中烧结，升温速率为20℃/min，加热到1720℃保温1小时，压力30MPa，获得块体材料为(Nb0.7Ti0.3)4AlC3。采用阿基米德法测得材料的显气孔率为0.18％，在万能试验机上测得材料的三点抗弯强度达到395.9MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧性达\n1/2\n到7.7MPa·m ，通过显微硬度仪测得维氏硬度为4.4GPa，通过恒温氧化实验测得材料在\n2\n1000℃空气中氧化20h后单位面积氧化增重为0.21Kg/m。\n[0025] 比较例\n[0026] 原料粉末按摩尔比Nb:Al:C＝4:1.1:2.7配料，称取后于聚乙烯罐中干混24小时，然后置于表面涂有BN的石墨模具中冷压成型，压力3MPa，并于氩气气氛中烧结，升温速率为升温速率为15℃/min，加热到1700℃保温1小时，压力30MPa，获得块体材料为Nb4AlC3陶瓷,采用阿基米德法测得材料的显气孔率为0.17％，在万能试验机上测得材料的三点抗\n1/2\n弯强度为339MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧性为7.1MPa·m ，通过显微硬度仪测得维氏硬度为2.6GPa，通过恒温氧化实验测得材料在1000℃氧化20h的单位面积氧化增\n2\n重为1.46Kg/m。