Ti3SiC導(dǎo)電陶瓷粉體的制備

于明志

(東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132012)

Ti3SiC導(dǎo)電陶瓷粉體的制備

于明志

(東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，吉林 吉林 132012)

將單質(zhì)粉體Ti，Si和C作為實(shí)驗(yàn)原料，按著原子配比(Ti∶Si∶C=3∶1∶2)將原料粉體稱量混合后，利用高能球磨機(jī)和放電等離子設(shè)備進(jìn)行Ti3SiC導(dǎo)電陶瓷粉體的制備。通過(guò)機(jī)械合金化工藝(球磨轉(zhuǎn)速550 rpm，球料比10∶1，磨球直徑12 mm)球磨10 h，生成以Ti3SiC為主晶相的混合粉體，其中Ti3SiC含量為83%，同時(shí)研究了放電等離子溫度對(duì)混合粉體中Ti3SiC的含量和形貌的影響。研究表明：利用放電等離子工藝可提高球磨粉體中的Ti3SiC含量，當(dāng)燒結(jié)溫度為1 000 ℃時(shí)，球磨粉體中Ti3SiC的含量達(dá)到99.1%，球磨粉體的組織形貌也以Ti3SiC的典型層片狀為主。

Ti3SiC；導(dǎo)電陶瓷；機(jī)械合金化

目前，國(guó)內(nèi)外合成Ti3SiC較為成功的方法有電弧熔化技術(shù)、熱壓燒結(jié)合成、固相合成法和氣相合成法，但這些實(shí)驗(yàn)方法要求實(shí)驗(yàn)條件都較為苛刻。本文采用Ti、Si和C單質(zhì)粉體作為反應(yīng)原料，利用機(jī)械合金化工藝和放電等離子高溫提純技術(shù)制備Ti3SiC導(dǎo)電陶瓷粉體，研究球磨時(shí)間和熱處理溫度TiSnC相變以及形貌的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用Ti粉(純度>99.36%，平均粒度80 μm)；Si粉(純度> 99.6%，平均粒度20 μm)；C粉(純度> 99.0%，平均粒度20 μm)作為實(shí)驗(yàn)反應(yīng)原料，以上藥品均來(lái)自中國(guó)有色金屬研究院。按Ti粉、Si粉和C粉的原子配比Ti∶Si∶C=3∶1∶2，用電子分析天平(FA2004N，精度0.000 1 g)分別稱量出Ti粉、Si粉和C粉。試驗(yàn)用球磨罐和磨球要保證清潔，將磨球和粉末裝入球磨罐中。由于實(shí)驗(yàn)粉體容易發(fā)生氧化反應(yīng)，為此一切操作均在保護(hù)氣氛中進(jìn)行。本次試驗(yàn)選擇Ar氣作為保護(hù)氣以防止在球磨過(guò)程中粉末發(fā)生氧化。球磨工藝：轉(zhuǎn)速為400 rpm，球料比為10∶1，球磨10 h，磨球直徑Φ=10 mm；熱處理工藝：升溫速率為100 ℃/min，熱處理溫度850 ℃和1 000 ℃，保溫時(shí)間：10 min，冷卻：在高真空度下，關(guān)掉電源，隨爐冷卻。采用D/Max2500PC型X射線衍射儀對(duì)球磨所得粉體進(jìn)行相分析(Cu靶，Kα)。采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品粉體形貌。

球磨工藝采用雙罐三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī)(如圖1(a))，熱處理工藝采用放電等離子燒結(jié)裝置(如圖1(b))。

圖1 (a)雙罐三維擺動(dòng)式高能球磨機(jī) (b)放電等離子燒結(jié)裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 球磨時(shí)間對(duì)Ti3SiC含量的影響

圖2 機(jī)械合金化所得粉體的XRD圖譜

圖2為轉(zhuǎn)速為400 rpm，球料比為10∶1，球磨10 h，磨球直徑Φ=10 mm的機(jī)械合金化條件下所得粉體的XRD圖譜，觀察圖2可知，圖譜中出現(xiàn)了以Ti3SiC為主峰衍射峰，其中TiC為雜質(zhì)峰，粉體Ti3SiC峰值較強(qiáng)。說(shuō)明原料粉體發(fā)生了化學(xué)變化形成了新物質(zhì)，經(jīng)X射線定量相分析機(jī)械合金化粉體中Ti3SiC的含量最高可達(dá)到83%。

2.2 機(jī)械合金化Ti3SiC粉體的真空熱處理

本研究采用放電等離子燒結(jié)設(shè)備對(duì)機(jī)械合金化制備的粉體進(jìn)行真空熱處理，以提高機(jī)械合金化粉體中Ti3SiC粉體純度。雖然在轉(zhuǎn)速為400 rpm，球料比為10∶1，球磨10 h，磨球直徑Φ=10 mm的機(jī)械合金化條件下制備球磨粉體中Ti3SiC的含量最高可達(dá)83%，但為了研究真空熱處理的效果，采用球磨粉體中Ti3SiC的純度為83%。

圖3 真空熱處理提純的XRD圖譜

圖4 對(duì)應(yīng)XRD圖譜的Ti3SiC2純度

觀察圖3發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱處理溫度為850 ℃時(shí)，混合粉體的XRD圖譜中Ti3SiC的衍射峰值明顯發(fā)生變化，和原粉體相比變強(qiáng)，說(shuō)明此時(shí)混合粉體中Ti3SiC的含量變大，隨著熱溫度的升高，混合粉體中Ti3SiC的含量不斷增加，當(dāng)粉體真空熱處理溫度提高到1 000 ℃時(shí)，經(jīng)X射線定量相分析表明Ti3SiC含量提高到99.1%。圖4是對(duì)應(yīng)XRD圖譜的Ti3SiC純度，可見(jiàn)研究熱處理溫度對(duì)Ti3SiC純度的影響是非常關(guān)鍵的一步。

2.3 經(jīng)真空熱處理的Ti3SiC粉體形貌像

圖5為球磨粉體經(jīng)不同溫度真空熱處理后的粉體形貌像。圖5(a)為球磨粉體，機(jī)械合金化粉末細(xì)小且發(fā)生嚴(yán)重團(tuán)聚，平均粒徑小于200 nm；當(dāng)熱處理溫度為850 ℃時(shí)，見(jiàn)圖5(b)，顆粒有所長(zhǎng)大，但團(tuán)聚現(xiàn)象減弱；當(dāng)熱處理溫度為1 000 ℃時(shí)，見(jiàn)圖5(c)，粉體中開(kāi)始出現(xiàn)層片狀顆粒，這是Ti3SiC典型的組織形態(tài)，并且層片狀特征愈發(fā)明顯，顆粒也逐漸增大。

圖5 球磨粉體的真空熱處理形貌圖 (加熱速率：100 ℃/min，保溫：10 min，無(wú)壓力)

3 結(jié) 論

本文以Ti、Si、C單質(zhì)粉體為原料，通過(guò)機(jī)械合金化和放電等離子技術(shù)制備出含有Ti3SiC粉體的混合粉體，研究了熱處理對(duì)機(jī)械合金化粉體的形貌、相組成的影響。得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)機(jī)械合金化方法將單質(zhì)粉末(Ti、Si和C)制備成Ti3SiC粉末。在球磨工藝為：轉(zhuǎn)速400 rpm，球徑Φ=10 mm，球料比為10∶1，球磨時(shí)間為10 h的條件下，Ti3SiC粉體的純度最高可以達(dá)到83%；

(2) 對(duì)機(jī)械合金化制備的Ti3SiC粉體進(jìn)行真空熱處理，可以將粉體中Ti3SiC的純度顯著提高。其中對(duì)平均純度為83%的Ti3SiC粉體在1 000 ℃進(jìn)行真空熱處理，粉體中Ti3SiC純度最高可達(dá)到99.1%。

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Preparation of Ti3SiC Electric Ceramic

YU Ming-zhi

(The Engineering Training Teaching Center，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

This article contains about letting elemental powders that contains Ti，Si and C as raw materials.After weighting and mixing of powder of the raw materials following the atomic ratio (Ti∶Si∶C=3∶1∶2)，we prepare for the conductive ceramic powders，Ti3SiC，using simoloyer mill and discharge plasma device.Through Mechanical alloying process (rotary speed：550r pm，ball to powder wight ratio 10∶1，milling ball diameter 12 mm) of milling 10 h，the mixed powders that contain mostly Ti3SiC can be produced，of which the content of Ti3SiC2takes up 83%.At the same time，this argues the effect of the temperature of discharged plasma on the content and morphology of the mixed powder，Ti3SiC.The research shows that using discharge plasma techn-ology can increase the amount of Ti3SiC in the ball-milled powders.When sintering temperature reaches 1000 ℃，the amount of Ti3SiC in the powders reaches 99.1%，and the content and morph-ology of the mixed powders is the typical layered structure，which is the same as Ti3SiC

Ti3SiC；Conductive ceramics；Mechanical alloying

2016-09-11

于明志(1975-)，男 ，吉林省蛟河市人，東北電力大學(xué)工程訓(xùn)練中心助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：導(dǎo)電陶瓷材料.

1005-2992(2016)06-0105-03

TG148

A