[发明专利]一种无压烧结制备高致密Ti2

说明书

本发明涉及一种无压烧结制备高致密Ti₂AlN陶瓷的方法，属于高纯高致密陶瓷的无压制备技术领域。其特征是以Ti和AlN作为原料，IIIA族和IVA族单质（如单质Si、Sn、In等）作为添加剂，利用少量添加剂夺取金属Ti中固溶的O元素从而使Ti更易和AlN中的Al发生反应，促进Ti₂AlN的生成；同时加入添加剂促进烧结体中形成液相，促进物质传递从而促进Ti₂AlN陶瓷的致密化。具体步骤包括：以一定含量比的市售钛粉、氮化铝粉和添加剂粉为原料，将研磨球和原料粉加入到球磨罐中，以酒精或水作为球磨介质；一定球磨时间后将上述粉料取出、烘干，采用一定压力的冷等静压成型；将成型后的试块置于无压气氛烧结炉或真空烧结炉中，通以烧结气氛或抽真空，随后以一定的升温速率升至一定温度并保温。本发明为促进Ti₂AlN陶瓷的进一步发展应用提供了技术支持，具有重要的实用意义和广泛的社会价值。

技术领域

一种无压烧结制备高致密Ti₂AlN陶瓷的方法，属于高纯高致密陶瓷的无压制备技术领域。

背景技术

传统陶瓷材料由离子键和共价键共同作用，决定了其脆性大，断裂韧性较低，这一特点导致了传统陶瓷材料在机械加工处理方面显得十分困难。Ti₂AlN陶瓷是一种新型的MAX相陶瓷材料，其独特的晶体结构使其兼有陶瓷的高强度高硬度和金属的韧性。Ti₂AlN陶瓷相较于传统陶瓷性能更具有优势，极大的原因在于其独特的物理化学性质以及其能够适应其他材料所不能适应的残酷严苛的使用环境。

Ti₂AlN陶瓷晶体结构为密排六方结构，六个Ti原子构成八面体， N原子位于该八面体空隙中，且每个八面体空隙都被Al原子构成的原子层隔开，形成Ti₆N的层状结构。Ti₂AlN陶瓷中Ti₆N与二元结构TiN相近，Ti原子和N原子之间的结合力为强共价键，从而使得Ti₂AlN陶瓷具有TiN的部分物理性质，如好的热稳定性，较好的抗氧化性，较高的强度和硬度等；Ti原子与Al原子层之间为类似层状石墨间范德华力的弱结合，使得Al 原子较容易挣脱TiN 片层的束缚，而过渡金属原子Ti 之间以金属键结合，层与层之间能够产生相对滑移，从而使Ti₂AlN具有类似于金属的良好的延展性和可加工性。

但是，由于Ti-Al-N体系的化合物种类繁多，导致了Ti₂AlN陶瓷烧结时生成的杂质较多，为了要得到较纯且致密度较高的Ti₂AlN陶瓷往往采用一些高技术的烧结方式。王蕾等人用原料TiN粉、Al粉、Ti粉, 按照一定比例混合并采用无压烧结、放电等离子烧结和热压烧结制备Ti₂AlN陶瓷。结果发现，放电等离子烧结中杂质相含量最少，结构最致密；无压烧结制品中有大量孔隙，未得到致密的烧结体。Barsoum等以Ti粉和AlN粉作原料，于1400℃和1600℃在气氛真空烧结炉中烧结4h，但烧结后得到的产物纯度都不高，杂质相种类复杂多样，未能达到预期的结果。Jordan等采用Ti和AlN粉末，振动致密化处理后，在管式烧结炉中于1600℃烧结4个小时，但所得制品中仍含有大量TiN。

从研究背景可以发现，现有研究中制备纯度较高致密度较高的Ti₂AlN陶瓷往往采用放电等离子烧结、热等静压烧结等高技术烧结方式，但这些烧结方法设备昂贵、工艺复杂，且较难获得结构复杂的异形件。因此，本发明意在采用易于大批量工业生产的无压烧结方式，通过引入适量添加剂，获得具有一定纯度的高致密的Ti₂AlN陶瓷。

发明内容

本发明的目的在于，以IIIA族或IVA族单质（如单质Si、Sn、In等）作为添加剂，少量添加剂夺取金属Ti中固溶的O元素从而使Ti更易和AlN中的Al发生反应，促进Ti₂AlN的生成；同时加入添加剂促进烧结体中形成液相，促进物质传递从而促进Ti₂AlN陶瓷的致密化。