[發明專利]一種Ti2AlN/TiN功能梯度材料的制備方法

無效

• 申請號: 201310498151.X
• 申請日: 2013-10-22
• 公開（公告）號: CN103553630A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 陳艷林;李宗育;嚴明;唐俊;曾成文;熊焰
• 申請（專利權）人: 湖北工業大學
• 主分類號: C04B35/58
• 分類號: C04B35/58;C04B35/622
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 汪俊鋒

技術領域

本發明涉及一種Ti₂AlN/TiN功能梯度材料的制備方法，屬于功能材料技術領域。

背景技術

近年來，一類具有層狀結構的三元碳化物或氮化物陶瓷受到了材料科學工作者的廣泛重視。它們同時具有金屬和陶瓷的優良性能。和金屬一樣，在常溫下，有很好的導熱性能和導電性能，有較低的Vickers硬度和較高的彈性模量和剪切模量，像金屬和石墨一樣可以進行機械加工，并在高溫下具有塑性；同時，它具有陶瓷材料的性能，有高的屈服強度，高熔點，高熱穩定性和良好的抗氧化性能；更有意義的是它們有甚至優于石墨和MoS₂的自潤滑性能。這些化合物可以用統一的分子式M_n+1AX_n來表示，其中M為過渡金屬，A主要為Ⅲ和Ⅳ族元素，X為C或N。

Ti₂AlN是上個世紀六十年代才被發現的新型層狀三元化合物。它兼有金屬和陶瓷的許多優良特點，如優異的導電、導熱性，可加工性，良好的抗破壞能力，高熔點，高模量，高強度和低密度（4.31g/cm³）等。這是一種有望能廣泛應用于電子信息、新能源、航空航天等高技術領域的新型結構/功能材料。

TiN屬于間隙相，為面心立方結構，其中Ti原子占據結點位置，N原子則位于面心立方的所有八面體間隙中，因而形成NaCl型晶體結構。TiN有美麗的金黃色光澤，熔點高達2950℃，維氏硬度為20GPa左右，化學穩定性好。TiN也具有良好的導熱、導電性能，這使得它在耐磨、耐腐蝕、高溫結構材料以及電氣材料中有著廣泛的應用前景。

Ti₂AlN有很多優異的性能，但是也有其不足之處，如硬度較低(3.5GPa)，耐酸堿性能較差，力學性能不理想等，極大的限制了其作為結構材料和功能材料使用范圍，而?TiN是一種具有高強度，高硬度，耐高溫，耐酸堿，耐磨損的特點，同時具有良好的導電和導熱性能，其在高溫結構材料、耐磨、耐腐蝕以及電氣材料中有著廣泛的應用前景，更為重要的是它的熱膨脹系數與Ti₂AlN相近，因此在Ti₂AlN中引入適量的TiN顆粒作為增強相，將有助于改善Ti₂AlN材料的性能，獲得兼具兩者優點的復合材料。目前有關以Ti₂AlN/TiN功能梯度材料的報道幾乎未見公開的報道。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供一種Ti₂AlN/TiN功能梯度材料的制備方法。本發明方法制備的Ti₂AlN/TiN功能梯度材料，克服了Ti₂AlN的硬度低，耐酸性差，力學性能不理想等缺點，極大地拓寬了Ti₂AlN的應用。

本發明為解決上述技術問題提供以技術方案：

按照摩爾配比為?TiN:Ti:Al=1:1:1.03?進行稱量配料，混合均勻，壓片好之后放進真空熱壓爐中，真空或者氬氣氣氛進行熱壓燒結，反應溫度為1300℃，升溫速率為10℃/min，保溫3h，燒結出Ti₂AlN，破碎、球磨得到Ti₂AlN粉末；

再將Ti₂AlN粉末和TiN粉末分層裝模，每層Ti₂AlN粉末和TiN粉末混合均勻，且沿層間Ti₂AlN粉末和TiN粉末的體積分數呈梯度變化，然后放進熱壓爐中，真空或惰性氣氛下熱壓燒結，反應溫度為1200-1400℃，升溫速率為8-20℃/min，壓力為25-40MPa，保溫1-3h。

上述方案中，Ti₂AlN粉末和TiN粉末按配比稱料，通過混合球磨，真空干燥，過篩，逐層稱量裝模。混合球磨時間為8-24h。混合球磨介質為無水乙醇。

所述惰性氣氛為氬氣。

Ti₂AlN粉末和TiN粉末可以分四層裝模。

本發明方法制備的梯度層材料，沿厚度方向體積分數呈梯度變化，其材料的顯微硬度、強度、耐沖擊性能等都呈梯度變化，各層之間結合良好，沒有明顯界面，顯著降低熱應力以及出現層間斷裂的可能性。

本發明方法制備的上述Ti₂AlN/TiN功能梯度材料，是由熱壓燒結方法來制備的。制備步驟是：按配比稱料；混合球磨；真空干燥；過篩；逐層稱量裝模；逐層預壓；燒結；再隨冷卻水自然冷卻即可。制備出來的梯度材料致密度高，性能優異，能夠在不同的環境中得到應用。