Ti3SiC导电陶瓷粉体的制备

于明志

(东北电力大学 工程训练中心，吉林 吉林 132012)

Ti3SiC导电陶瓷粉体的制备

于明志

(东北电力大学 工程训练中心，吉林 吉林 132012)

将单质粉体Ti，Si和C作为实验原料，按着原子配比(Ti∶Si∶C=3∶1∶2)将原料粉体称量混合后，利用高能球磨机和放电等离子设备进行Ti3SiC导电陶瓷粉体的制备。通过机械合金化工艺(球磨转速550 rpm，球料比10∶1，磨球直径12 mm)球磨10 h，生成以Ti3SiC为主晶相的混合粉体，其中Ti3SiC含量为83%，同时研究了放电等离子温度对混合粉体中Ti3SiC的含量和形貌的影响。研究表明：利用放电等离子工艺可提高球磨粉体中的Ti3SiC含量，当烧结温度为1 000 ℃时，球磨粉体中Ti3SiC的含量达到99.1%，球磨粉体的组织形貌也以Ti3SiC的典型层片状为主。

Ti3SiC；导电陶瓷；机械合金化

目前，国内外合成Ti3SiC较为成功的方法有电弧熔化技术、热压烧结合成、固相合成法和气相合成法，但这些实验方法要求实验条件都较为苛刻。本文采用Ti、Si和C单质粉体作为反应原料，利用机械合金化工艺和放电等离子高温提纯技术制备Ti3SiC导电陶瓷粉体，研究球磨时间和热处理温度TiSnC相变以及形貌的影响。

1 实验方法

实验采用Ti粉(纯度>99.36%，平均粒度80 μm)；Si粉(纯度> 99.6%，平均粒度20 μm)；C粉(纯度> 99.0%，平均粒度20 μm)作为实验反应原料，以上药品均来自中国有色金属研究院。按Ti粉、Si粉和C粉的原子配比Ti∶Si∶C=3∶1∶2，用电子分析天平(FA2004N，精度0.000 1 g)分别称量出Ti粉、Si粉和C粉。试验用球磨罐和磨球要保证清洁，将磨球和粉末装入球磨罐中。由于实验粉体容易发生氧化反应，为此一切操作均在保护气氛中进行。本次试验选择Ar气作为保护气以防止在球磨过程中粉末发生氧化。球磨工艺：转速为400 rpm，球料比为10∶1，球磨10 h，磨球直径Φ=10 mm；热处理工艺：升温速率为100 ℃/min，热处理温度850 ℃和1 000 ℃，保温时间：10 min，冷却：在高真空度下，关掉电源，随炉冷却。采用D/Max2500PC型X射线衍射仪对球磨所得粉体进行相分析(Cu靶，Kα)。采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜(SEM)观察样品粉体形貌。

球磨工艺采用双罐三维摆动式高能球磨机(如图1(a))，热处理工艺采用放电等离子烧结装置(如图1(b))。

图1 (a)双罐三维摆动式高能球磨机 (b)放电等离子烧结装置

2 实验结果与讨论

2.1 球磨时间对Ti3SiC含量的影响

图2 机械合金化所得粉体的XRD图谱

图2为转速为400 rpm，球料比为10∶1，球磨10 h，磨球直径Φ=10 mm的机械合金化条件下所得粉体的XRD图谱，观察图2可知，图谱中出现了以Ti3SiC为主峰衍射峰，其中TiC为杂质峰，粉体Ti3SiC峰值较强。说明原料粉体发生了化学变化形成了新物质，经X射线定量相分析机械合金化粉体中Ti3SiC的含量最高可达到83%。

2.2 机械合金化Ti3SiC粉体的真空热处理

本研究采用放电等离子烧结设备对机械合金化制备的粉体进行真空热处理，以提高机械合金化粉体中Ti3SiC粉体纯度。虽然在转速为400 rpm，球料比为10∶1，球磨10 h，磨球直径Φ=10 mm的机械合金化条件下制备球磨粉体中Ti3SiC的含量最高可达83%，但为了研究真空热处理的效果，采用球磨粉体中Ti3SiC的纯度为83%。

图3 真空热处理提纯的XRD图谱

图4 对应XRD图谱的Ti3SiC2纯度

观察图3发现，当热处理温度为850 ℃时，混合粉体的XRD图谱中Ti3SiC的衍射峰值明显发生变化，和原粉体相比变强，说明此时混合粉体中Ti3SiC的含量变大，随着热温度的升高，混合粉体中Ti3SiC的含量不断增加，当粉体真空热处理温度提高到1 000 ℃时，经X射线定量相分析表明Ti3SiC含量提高到99.1%。图4是对应XRD图谱的Ti3SiC纯度，可见研究热处理温度对Ti3SiC纯度的影响是非常关键的一步。

2.3 经真空热处理的Ti3SiC粉体形貌像

图5为球磨粉体经不同温度真空热处理后的粉体形貌像。图5(a)为球磨粉体，机械合金化粉末细小且发生严重团聚，平均粒径小于200 nm；当热处理温度为850 ℃时，见图5(b)，颗粒有所长大，但团聚现象减弱；当热处理温度为1 000 ℃时，见图5(c)，粉体中开始出现层片状颗粒，这是Ti3SiC典型的组织形态，并且层片状特征愈发明显，颗粒也逐渐增大。

图5 球磨粉体的真空热处理形貌图 (加热速率：100 ℃/min，保温：10 min，无压力)

3 结 论

本文以Ti、Si、C单质粉体为原料，通过机械合金化和放电等离子技术制备出含有Ti3SiC粉体的混合粉体，研究了热处理对机械合金化粉体的形貌、相组成的影响。得到如下结论：

(1)通过机械合金化方法将单质粉末(Ti、Si和C)制备成Ti3SiC粉末。在球磨工艺为：转速400 rpm，球径Φ=10 mm，球料比为10∶1，球磨时间为10 h的条件下，Ti3SiC粉体的纯度最高可以达到83%；

(2) 对机械合金化制备的Ti3SiC粉体进行真空热处理，可以将粉体中Ti3SiC的纯度显著提高。其中对平均纯度为83%的Ti3SiC粉体在1 000 ℃进行真空热处理，粉体中Ti3SiC纯度最高可达到99.1%。

[1] Barsoum M W.The MN + 1AXNPhases：a New Class of Solid； Thermodynamically Stable Nanolaminates [J].Prog.in Solid State Chem.，2000，28(1/2/3/4)：201-281.

[2] Sun Z M.Progress in Research and Development on MAX Phases：a Family of Layered Ternary Compounds [J].International Materials Reviews，2011，56( 3) ：143-156.

[3] Enyashin A N，Ivanovskii A I.Prediction of Atomic Structure and Electronic Properties of Ti3SiC2based Nanotubes by DFTB Theory [J].Materials Letters，2008，62( 4/5) ：663-665.

[4] 石随林，李俊寿.Ti3SiC2/Y-3TZP陶瓷复合材料可加工性能研究[J].稀有金属材料与工程，2007，36(z1)：215-217.

[5] 李建伟.层状可加工陶瓷Ti3SiC2自蔓延高温合成反应机理的研究[D].西安：西安建筑科技大学，2007.

[6] 汪乾.两种可加工陶瓷Ti3SiC2，Y_4Al2O9的合成制备与性能[D].天津：天津大学，2012.

[7] 朱德贵.热等静压原位合成Ti3SiC2/SiC复相陶瓷的组织与性能研究[D].成都：西南交通大学，2014.

[8] 陈艳林，梅炳初，朱教群.可加工陶瓷Ti3SiC的合成和性能[J].硅酸盐通报,2003，22(3)：74-77，96.

[9] 周爱国.三元层状陶瓷MAX相的非线性弹性研究[J].硅酸盐通报,2009，28(4)：709-713.

[10] 张俊才，贾成厂，朱景川，等.Ti3SiC2陶瓷的制备[J].硅酸盐通报,2008，27(4)：700-704.

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，东北电力大学工程训练中心助理实验师，主要研究方向：导电陶瓷材料.

1005-2992(2016)06-0105-03

TG148

A