[发明专利]一种无相界碳化钛梯度材料的制备方法有效

专利信息
申请号: 201310682147.9 申请日: 2013-12-16
公开(公告)号: CN103667846A 公开(公告)日: 2014-03-26
发明(设计)人: 丁海民;范孝良;储开宇;李春燕 申请(专利权)人: 华北电力大学(保定)
主分类号: C22C29/10 分类号: C22C29/10;C22C1/05
代理公司: 石家庄冀科专利商标事务所有限公司 13108 代理人: 李羡民;周晓萍
地址: 071003 河*** 国省代码: 河北;13
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摘要:
搜索关键词: 一种 无相 碳化 梯度 材料 制备 方法
【说明书】:

技术领域

 本发明涉及一种合金材料制备方法,特别是无相界碳化钛梯度材料的制备方法,属合金材料技术领域。 

背景技术

碳化钛具有高熔点、高硬度、高弹性模量、良好的高温抗氧化性及生物相容性等特点,广泛应用于制备陶瓷基及金属基复合材料,在航空航天、交通运输、机械加工、医疗器械等领域具有广阔的应用前景;同时,由于具有独特的物理、化学性能,它还常作为电极、场电子发射体、催化剂等应用于光学、电子学及石油化工等领域。在长期的研究和应用过程中,人们发现,碳化钛在晶体结构上具有独特的特点。碳化钛具有NaCl型晶体结构,钛位于立方体的顶点和面心的位置,碳位于八面体间隙位置,其理想的钛碳原子比是1:1,即碳化钛的理想化学式为TiC。但是实际制备的碳化钛中碳的含量往往不能达到理想状态,从而使碳化钛中出现大量碳的空位。据文献(Material Science and Engineering A, 1988, 105/106 (1): 1–10)报道,碳化钛中碳空位含量最多可达50%以上,因此碳化钛确切的化学式应为TiCx(0.48≤x≤1)。尽管碳含量的变化不会改变碳化钛的晶格类型,但是会显著影响其性能(包括物理性能、化学性能)。例如,文献(Physical Review Letters, 2001, 86(15): 3348–3351)研究了碳化钛中碳含量对其硬度的影响,发现它们之间存在相互对应的关系;文献 (Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters, 1999, 4: 294–300)报道了碳化钛电阻率也受其碳含量的影响。因此,通过控制碳化钛中碳的含量,就可以得到具有不同性能但晶格类型仍然相同且晶格常数相差不大的碳化钛,将这些不同碳化钛进行合理的复合搭配,就能获得性能呈梯度变化且无明显相界的碳化钛梯度材料。该材料性随碳化钛含量不同,在不同层面上可以具有不同的性能,但由于层间无明显相界,因此克服了普通材料在界面处易形成薄弱环节而失效的弊端。 

发明内容

本发明的目的在于利用碳化钛中碳含量可在较大范围内变化的特点,提供一种层间碳含量不同、性能不同,但晶格类型相同且晶格常数相差不大的无相界碳化钛梯度材料的制备方法。 

本发明所称问题是通过以下技术方案解决的: 

一种无相界碳化钛梯度材料的制备方法,特别之处是:它由下述步骤组成:

a. 原料准备:准备好制备碳化钛梯度材料所需的原料碳化钛粉和钛粉,碳化钛粉的钛和碳的原子比为1:1; 

b.原料分份混配:将碳化钛粉及钛粉按质量百分比不同分成数份,各份原料中碳化钛粉所占的质量百分比53.57%-100.00%,余量为钛粉,分别将各份的两种原料混合均匀; 

c. 球磨:将各份碳化钛粉及钛粉混合粉料分别置于氩气保护下的高能球磨机中球磨2-6小时;

d.压制成型:将各份混合粉料根据所含钛粉比例的不同,逐层铺设到压制模具中并压制成型;

e. 烧结:将压制好的原料块体置于烧结炉中,经烧结、保温、冷却即得到所需的无相界碳化钛梯度材料。

上述无相界碳化钛梯度材料的制备方法,所述烧结步骤首先将原料块体加热到1400-1600℃,保温2-4小时,使碳化钛粉与钛粉反应;然后继续升高温度至1900-2100℃,保温2-4小时,使反应后的碳化钛局部均匀化,将上述烧结后的块体随炉冷却至室温。 

上述无相界碳化钛梯度材料的制备方法,所述相邻层原料中碳化钛粉所占的质量百分比差值不小于3%。 

上述无相界碳化钛梯度材料的制备方法,所述压制成型步骤中各份混合粉料压制后的厚度不低于0.5毫米。 

上述无相界碳化钛梯度材料的制备方法,所述原料碳化钛粉粒度在1微米到5微米之间,原料钛粉粒度在1微米到10微米之间。 

本发明利用碳化钛中碳含量可在较大范围内变化的特点,根据碳含量与其性能的关系,提供一种无相界碳化钛梯度材料的制备方法。所述方法以碳化钛粉及钛粉为原料,经备料、原料分份、球磨、压制成型、烧结等步骤制备碳化钛梯度材料。利用该方法可以利用碳化钛中碳含量与其性能存在的对应关系,通过调整碳含量来改变碳化钛中碳的空位数量,从而使形成的碳化钛材料性能可以根据用途所需在一定范围内设计。以本发明方法制备的碳化钛材料层间碳含量不同,层间性能差异较大,但各层仍能保持晶格类型相同且晶格常数相差不大,从而使层间无明显相界,因此克服了普通材料在界面处易形成薄弱环节而失效的弊端。 

具体实施方式

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