[发明专利]一种Ti2AlN/TiN功能梯度材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ti₂AlN/TiN功能梯度材料的制备方法，属于功能材料技术领域。

背景技术

近年来，一类具有层状结构的三元碳化物或氮化物陶瓷受到了材料科学工作者的广泛重视。它们同时具有金属和陶瓷的优良性能。和金属一样，在常温下，有很好的导热性能和导电性能，有较低的Vickers硬度和较高的弹性模量和剪切模量，像金属和石墨一样可以进行机械加工，并在高温下具有塑性；同时，它具有陶瓷材料的性能，有高的屈服强度，高熔点，高热稳定性和良好的抗氧化性能；更有意义的是它们有甚至优于石墨和MoS₂的自润滑性能。这些化合物可以用统一的分子式M_n+1AX_n来表示，其中M为过渡金属，A主要为Ⅲ和Ⅳ族元素，X为C或N。

Ti₂AlN是上个世纪六十年代才被发现的新型层状三元化合物。它兼有金属和陶瓷的许多优良特点，如优异的导电、导热性，可加工性，良好的抗破坏能力，高熔点，高模量，高强度和低密度（4.31g/cm³）等。这是一种有望能广泛应用于电子信息、新能源、航空航天等高技术领域的新型结构/功能材料。

TiN属于间隙相，为面心立方结构，其中Ti原子占据结点位置，N原子则位于面心立方的所有八面体间隙中，因而形成NaCl型晶体结构。TiN有美丽的金黄色光泽，熔点高达2950℃，维氏硬度为20GPa左右，化学稳定性好。TiN也具有良好的导热、导电性能，这使得它在耐磨、耐腐蚀、高温结构材料以及电气材料中有着广泛的应用前景。

Ti₂AlN有很多优异的性能，但是也有其不足之处，如硬度较低(3.5GPa)，耐酸碱性能较差，力学性能不理想等，极大的限制了其作为结构材料和功能材料使用范围，而 TiN是一种具有高强度，高硬度，耐高温，耐酸碱，耐磨损的特点，同时具有良好的导电和导热性能，其在高温结构材料、耐磨、耐腐蚀以及电气材料中有着广泛的应用前景，更为重要的是它的热膨胀系数与Ti₂AlN相近，因此在Ti₂AlN中引入适量的TiN颗粒作为增强相，将有助于改善Ti₂AlN材料的性能，获得兼具两者优点的复合材料。目前有关以Ti₂AlN/TiN功能梯度材料的报道几乎未见公开的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种Ti₂AlN/TiN功能梯度材料的制备方法。本发明方法制备的Ti₂AlN/TiN功能梯度材料，克服了Ti₂AlN的硬度低，耐酸性差，力学性能不理想等缺点，极大地拓宽了Ti₂AlN的应用。

本发明为解决上述技术问题提供以技术方案：

按照摩尔配比为 TiN:Ti:Al=1:1:1.03 进行称量配料，混合均匀，压片好之后放进真空热压炉中，真空或者氩气气氛进行热压烧结，反应温度为1300℃，升温速率为10℃/min，保温3h，烧结出Ti₂AlN，破碎、球磨得到Ti₂AlN粉末；

再将Ti₂AlN粉末和TiN粉末分层装模，每层Ti₂AlN粉末和TiN粉末混合均匀，且沿层间Ti₂AlN粉末和TiN粉末的体积分数呈梯度变化，然后放进热压炉中，真空或惰性气氛下热压烧结，反应温度为1200-1400℃，升温速率为8-20℃/min，压力为25-40MPa，保温1-3h。

上述方案中，Ti₂AlN粉末和TiN粉末按配比称料，通过混合球磨，真空干燥，过筛，逐层称量装模。混合球磨时间为8-24h。混合球磨介质为无水乙醇。

所述惰性气氛为氩气。

Ti₂AlN粉末和TiN粉末可以分四层装模。

本发明方法制备的梯度层材料，沿厚度方向体积分数呈梯度变化，其材料的显微硬度、强度、耐冲击性能等都呈梯度变化，各层之间结合良好，没有明显界面，显著降低热应力以及出现层间断裂的可能性。

本发明方法制备的上述Ti₂AlN/TiN功能梯度材料，是由热压烧结方法来制备的。制备步骤是：按配比称料；混合球磨；真空干燥；过筛；逐层称量装模；逐层预压；烧结；再随冷却水自然冷却即可。制备出来的梯度材料致密度高，性能优异，能够在不同的环境中得到应用。