[發明專利]二維過渡金屬碳化鈦材料增強陶瓷復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010956858.0
• 申請日: 2020-09-12
• 公開（公告）號: CN112142449A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 秦家千
• 申請（專利權）人: 宿遷德特材料科技有限公司
• 主分類號: C04B35/10
• 分類號: C04B35/10;C04B35/626;C04B35/64
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及材料領域，具體涉及陶瓷復合材料領域，尤其是涉及氧化鋁，氧化鋯，碳化硅，和氮化硅陶瓷復和材料的制備方法。本發明是采用新型二維過渡金屬碳化鈦材料（MXene包括Ti3C2和Ti2C）作為增韌相，經過放電等離子體燒結成Al2O3?MXene,ZrO2?MXene,SiC?MXene,和Si3N4?MXene復合陶瓷。第一步，MXene化合物制備：將制備或購買的三元層狀化合物Ti3AlC2或者Ti2AlC通過氫氟酸腐蝕制備得到Ti3C2或者Ti2C MXene化合物；第二步，將陶瓷粉體（氧化鋁，氧化鋯，碳化硅，或者氮化硅）與Ti3C2或者Ti2C MXene化合物按照重量比（95~60）：（5~40）混合，以及適當的燒結助劑，原料經物理機械方法混合5?20小時；混合粉體干燥后裝入石墨模具中冷壓成型，施加壓力為10?20MPa；在放電等離子體燒結爐內燒結，升溫速率為10?50°C/min，燒結溫度為1400?1600°C、燒結時間為30~120分鐘、燒結壓強為10?50MPa，隨后隨爐冷卻至室溫，即可制備出Al2O3?MXene,ZrO2?MXene,SiC?MXene,和Si3N4?MXene復合陶瓷。

本發明涉及陶瓷材料科學技術領域，特別涉及一種復合陶瓷材料及其制備方法。

背景技術

復合陶瓷材料具有高熔點、良好的耐磨性、熱化學穩定性、高硬度等優點，適合于制作加工難加工材料的刀具。隨著我國航空航天、國防、工業等領域的高速、可持續發展，對材料綜合性能的要求越來越高。由于復合陶瓷能夠進一步增強純陶瓷的韌性，并不太降低陶瓷的硬度及高溫性能，因而得到了廣泛關注。碳化鈦具有熔點高、抗氧化、強度高、導熱性良好、化學穩定性好、韌性好以及對鋼鐵類金屬的化學惰性等優異性能，所以碳化鈦主要用來制造金屬陶瓷、耐熱合金和硬質合金。同時由于碳化鈦具有這些良好性能，碳化鈦在各種復合材料中作為強化基體的一種增強相得以廣泛使用。如氧化鋁復合陶瓷中，碳化鈦由于具有高強度、高硬度、優良的耐磨性及化學穩定性，氧化鋁-碳化鈦體系得以廣泛研究及應用。

純氧化鋁粉體大約在1750°C開始蠕變和燒結。如此高的燒結溫度，會使得窯爐耐火材料的使用壽命縮短，能源消耗過多，以及材料燒成性能不良等等。因此，陶瓷燒結過程中常常加入燒結助劑來降低高熔點陶瓷的燒結溫度，從而實現能耗和制備成本的降低。如二氧化鈦，氧化鎂，氧化釔等。因此，為了使燒結助劑起到助燒結作用，燒結助劑與主相要求均勻混合。

MXene是近年來發展起來的一類二維無機化合物，這些材料由幾個原子層厚度的過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物構成，它們有著過渡金屬碳化物的性質，同時由于材料表面有羥基或末端氧，它們又具有過渡金屬碳化物，氮化物以及碳氮化物不具有的特殊性能。因此采用二維碳化鈦替換現有的碳化鈦作為陶瓷復合材料中的增強相或許可以進一步提高陶瓷復合材料的性能。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種陶瓷-MXene碳化鈦（Ti3C2或Ti2C）復合陶瓷的制備方法，利用MXene碳化鈦（Ti3C2或Ti2C）二維過渡金屬碳化物作為增強相，提高陶瓷粉體在較低溫度下燒結及粉體燒結的均勻性，從而制備高硬度高韌性陶瓷-MXene碳化鈦（Ti3C2或Ti2C）復合陶瓷。

附圖說明

圖1為本發明二維過渡金屬碳化物MXene碳化鈦（Ti3C2或Ti2C）增強復合陶瓷的工藝流程圖；

圖2為制備得到的MXene-Ti3C2的掃描電鏡圖；

圖3為實施列5所得到的復合陶瓷掃描電鏡圖；

圖4為實施例5中制備得到的復合陶瓷維氏硬度壓痕圖。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本發明內容做進一步的詳細說明，而不會限制本發明權利要求保護的范圍。

MXene-二維過渡金屬碳化物（Ti3C2和Ti2C）制備: