一种钛硅化碳/二硼化钛碳化钛复合材料及其制备方法.pdf

本发明涉及一种钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛复合块体材料及其制备方法。复合材料由板/柱状二硼化钛、等轴状碳化钛颗粒增强相与层状钛硅化碳基体组成，其中二硼化钛与碳化钛各占材料总体积的10～15％。将原料钛粉、硅粉、石墨粉和碳化硼粉按摩尔配比为(3.60～3.98)∶(1.85～1.14)∶2∶(0.17～0.28)经物理机械方法混匀后装入表面涂有保护涂层的石墨磨具中冷压成型于通有保护气氛的热压炉中烧结，升温速率为10～50℃/分钟，烧结温度为1480～1520℃、烧结时间为1.5～2小时、烧结压强为22～25MPa。本发明工艺简单，材料性能优异。

1.  一种钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛复合材料，其特征在于由板/柱状二硼化钛与等轴状碳化钛增强相和层状钛硅化碳基体组成，其中二硼化钛、碳化钛各占复合材料总体积的10～15％。

2.  一种制备如权利要求1所述的复合材料的方法，其具体步骤为：将原料钛粉、硅粉、石墨粉与碳化硼粉按摩尔配比n(Ti)∶n(Si)∶n(C)∶n(B₄C)为3.60～3.98∶1.85～1.14∶2∶0.17～0.28称量，原料粉末经物理机械方法干混后装于表面涂有保护涂层的石墨模具中冷压成型，在通有保护气氛的热压炉内烧结。

3.  按照权利要求2所述的方法，其特征在于所述的碳化硼粉为粒度范围为3～10微米粉；钛粉、硅粉粒度为-300目；石墨粉粒度范围为5～20微米粉。

4.  按照权利要求2所述的方法，其特征在于所述的保护气氛为氩气。

5.  按照权利要求2所述的方法，其特征在于在热压炉内烧结时，升温速率为10～50℃/分钟；烧结温度为1480～1520℃；烧结时间为1.5～2小时；烧结压强为22～25MPa。

一种钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛复合材料及其制备方法
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致密钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛复合块体材料及其制备方法。
背景技术：
钛硅化碳是三元层状陶瓷材料的典型代表，其综合了金属与陶瓷的诸多优点，具有低密度、高模量、抗热震、导电导热性好、可加工和优良的高温抗氧化性等特点，同时还具有良好自润滑性与比传统固体润滑剂石墨与二硫化钼更低的磨擦系数，是一种结构-功能一体化材料，在电极电刷材料、高温结构材料与自润滑材料方面具有广阔的应用前景。
但是钛硅化碳自身的机械性能较差，这限制了其作为结构材料的应用。通过引入增强相能有效的提高钛硅化碳材料的机械性能。现今已通过向钛硅化碳基体中分别引入Al₂O₃、TiC、SiC、c-BN、TiB₂、ZrO₂第二相组成复合体系(Hu C F，Zhou Y C，Bao Y W，Wan D T.Al₂O₃增强Ti₃SiC₂复相材料的摩擦性能[J].美国陶瓷协会杂志，2006，89(11)：3456-3461；Zhang J F，Wang L J，Jiang W，Chen L D.TiC含量对放电等离子发原位合成Ti₃SiC₂-TiC复相材料显微结构与性能的影响[J].材料科学与工程A，2008，487(1-2)：137-143；Zhang J F，Wang L J，Shi L，JiangW，Chen L D.放电等离子法制备Ti₃SiC₂-SiC纳米复相材料[J].材料快报，2007，56(3)：241-244；Benko E，Klimczyk P，Mackiewicz S，Barr T L，Piskorska E.cBN-Ti₃SiC₂复相材料[J].类金刚石膜的性质及应用，2004，13(3)：521-525；ZhouW B，Mei B C，Zhu J Q.热压法原位合成Ti₃SiC₂/TiB₂复相材料[J].武汉理工大学学报自然科学版，2008，23(6)：863-865；Shi S L，Pan W.放电等离子法制备3Y-TZP增韧的Ti₃SiC₂[J].材料科学与工程，2007，447(1-2)：303-306，显著改善和优化了Ti₃SiC₂的力学性能以及耐摩擦磨损性能、抗氧化性能、抗热震性，但通常采用一种强韧相，补强增韧机构单一，补强增韧效果有限。
发明内容：
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供了一种钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛复合材料，本发明的另一目的还提供了上述材料的制备方法。
本发明的技术方案为：利用原位反应制备钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛材料，其基本原理是在钛粉、硅粉、石墨粉反应生成钛硅化碳的同时，利用碳化硼粉在高温下与钛粉发生反应原位生成二硼化钛与碳化钛两种不同形貌、不同增强机理的联合增强相，从而一步制得钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛材料。由阿基米德法测得该块体材料的致密度大于99％。
本发明的具体技术方案为：一种钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛复合材料，其特征在于由由板/柱状二硼化钛与等轴状碳化钛增强相和层状钛硅化碳基体组成，其中二硼化钛、碳化钛各占复合材料总体积的10～15％。
本发明还提供了制备上述复合材料的方法，其具体步骤为：将原料钛粉、硅粉、石墨粉与碳化硼粉按摩尔配比n(Ti)∶n(Si)∶n(C)∶n(B₄C)为(3.60～3.98)∶(1.85～1.14)∶2∶(0.17～0.28)称量；原料粉末经物理机械方法干混后装于表面涂有保护涂层的石墨模具中冷压成型，在通有保护气氛的热压炉内烧结。
其中所述的碳化硼粉为粒度范围为3～10微米粉；钛粉和硅粉粒度为-300目。石墨粉粒度范围为5～20微米粉。
优选所述的保护气氛为氩气。
在于在热压炉内烧结时，优选升温速率为10～50℃/分钟；烧结温度为1480～1520℃；烧结时间为1.5～2小时；烧结压强为22～25MPa。
本发明在于提供一种力学性能好、操作简单、工艺条件容易控制、成本低的致密二硼化钛-碳化钛-钛硅化碳材料及其制备方法，材料中含有棒状的二硼化钛和等轴状的碳化钛两种增强相和相应的两种增强机制。
有益效果：
(1)在制备钛硅化碳基体的原料中加入廉价的碳化硼，利用碳化硼与钛的反应原位合成价格较贵的棒状二硼化钛和等轴状的碳化钛两种增强相，从而进一步制得钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛材料。
(2)采用原位合成制备钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛复相材料工艺简单，成本低。
(3)制得钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛复相材料显微结构均匀，由层状钛硅化碳晶粒、棒状二硼化钛晶粒与等轴状碳化钛晶粒构成，增强相颗粒界面无污染，棒状二硼化钛和等轴状碳化钛两种强韧相之间交互作用，两种补强增韧机制相互协同耦合，使材料的力学性能显著提高。
(4)二硼化钛与碳化钛均具有良好的导电性，制得的钛硅化碳/二硼化钛-碳化钛复合材料仍然保持了良好的导电性，可作为电极或电刷材料。
附图说明：
图1是实施例1所得(TiB₂+TiC)/Ti₃SiC₂复相材料的XRD图谱，其中★代表Ti₃SiC₂，◆代表TiB₂，▲代表TiC。
图2是实施例1所得复合材料断口的扫描电镜照片。
图3是图2的局部放大扫描电镜照片。
具体实施方式：
实施例1
原料粉末按摩尔比n(Ti)∶n(Si)∶n(C)∶n(B₄C)＝3.59∶1.09∶2∶0.17称取钛粉(-300目)、硅粉(-300目)、石墨粉(平均粒径15微米粉)与碳化硼粉(平均粒径5微米粉)后于聚乙烯罐中干混20h后置于表面涂有氮化硼的石墨模具中冷压成型，然后于氩气氛中热压烧结，以30℃/min的升温速度升至1490℃，保温2h，压力22MPa。获得块体材料的致密度达到99.5％，在万能试验机上测试材料的三点抗弯强度大于700MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧大于9MPa·m^1/2。对制得产品进行XRD分析，如图1所示产品由钛硅化碳、二硼化钛与碳化钛组成。对产品断口进行SEM分析，如图2、图3所示，产品中层状钛硅化碳、棒状二硼化钛和等轴状碳化钛晶粒清晰可见。
实施例2：
原料粉末按摩尔比n(Ti)∶n(Si)∶n(C)∶n(B₄C)＝3.98∶1.14∶2∶0.28称取钛粉(-300目)、硅粉(-300目)、石墨粉(平均粒径10微米粉)与碳化硼粉(平均粒径10微米粉)后于聚乙烯罐中干混24h后置于表面涂有氮化硼的石墨模具中冷压成型，然后于氩气氛中热压烧结，以25℃/min的升温速度升至1510℃，保温2h，压力25MPa。获得块体材料的致密度达到99.4％，在万能试验机上测试材料的三点抗弯强度大于680MPa，采用单边缺口梁法测得材料的断裂韧性大于9MPa·m^1/2。