本發明屬于先進陶瓷材料領域，特別涉及一種熱等靜壓法制備Ti2SbP塊體材料的方法。
背景技術：
：：MAX(或Mn+1AXn，n＝1,2,3)相是一系列陶瓷材料。MAX相的通式和結構是由M.W.Barsoum[1-3]定義的，M為早期過渡金屬，A主要為III和IV主族元素，X為C和N，周期表中可以形成Mn+1AXn相的元素見圖1所示。到目前為止，已經發現的化合物有近60種。這類化合物具有六方層狀結構，屬于P63/mmc空間群，Mn+1Xn層被A元素層分隔，如圖2所示[1]。這種特殊的納米層狀結構，決定了化合物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。這些獨特的性能，使得這類材料無論在基礎領域還是在應用領域都具有很大的研究意義。MAX相材料已經在醫用模板、熱壓刀具和耐熱材料方面得到了應用[4-5]。在未來更多的
技術領域：
：中，也具有廣闊的應用前景。在元素周期表中，不斷尋求MAX相的新擴展是材料工作者熱衷的一個方面。在MAX相的通式定義中，X為C元素和N元素。還有其他的元素可以替代嗎？2011年A.Yakoubi[6]通過對材料的結構和化學鍵分析，給了MAX相研究者一個肯定的回答：M2SbP(M＝Ti,Zr,Hf)也屬于MAX相。在文獻檢索中申請人發現，這類化合物的合成研究和理論研究非常稀少。合成研究方面，僅有的報道是在1973年，H.Boller[7]將元素粉密封在石英管中，在800℃下煅燒48小時，取出粉末研磨后在再次密封到石英管中，800℃下煅燒48小時。該文獻是用德文撰寫，給出了Ti2SbP、Zr2SbP和Hf2SbP三種物質的晶胞參數和衍射峰值，但是并沒有給出衍射圖譜，無法得知材料的純度。本專利發明人也嘗試用該方法合成Ti2SbP，確實得到了這種三元相，但是純度非常低。在此之后，由于磷化物的合成制備控制難度較大，再沒有發現關于M2SbP相合成方面的報道，這類材料的性能研究更是空白。理論研究方面，僅有的報道即是前文提到的2011年A.Yaoubi[6]的這篇論文，通過對材料的結構和化學鍵分析發現，Ti2SbP和Zr2SbP的體積彈性模量相同，但是Hf2SbP的體積彈性模量比Ti2SbP增加8.7％；這是由于Hf替代Ti后，填充p-d雜化結合狀態的價電子增加導致的。該研究對理解M2SbP化合物的結構和化學鍵非常重要，也對合成實驗有指導意義。技術實現要素：本發明的目的在于提供一種熱等靜壓法制備Ti2SbP塊體材料的方法，特別是一種高純致密三元層狀陶瓷Ti2SbP塊體材料的制備方法。為了實現上述目的，本發明的技術方案是：一種熱等靜壓法制備Ti2SbP塊體材料的方法，其特征在于，它包括如下步驟：1)按Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料的摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：(0.5～1.5)：(0.7～2.5)，稱取Ti粉、Sb粉、TiP粉原料，備用；2)將稱取的Ti粉、Sb粉、TiP粉原料粉末混合均勻后，密封于真空石英管中，放入馬弗爐中進行煅燒；3)升溫步驟為：以5～100℃/min的升溫速率升至800～1150℃，保溫10～48小時；4)煅燒完成后，關掉電源，自然冷卻，得高純Ti2SbP粉體材料；5)將高純Ti2SbP粉體材料置于氬氣保護的熱等靜壓裝置中，壓力為50-120MPa，溫度800～1150℃，保溫4～10小時，得到Ti2SbP塊體材料。進一步地，所述的熱等靜壓法制備Ti2SbP塊體材料的方法，其特征在于：Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料的摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：1.3：1.6，熱等靜壓壓力為50MPa，溫度1000℃，保溫4小時。進一步地，所述的熱等靜壓法制備Ti2SbP塊體材料的方法，其特征在于：Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料的摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：1.2：2.0，熱等靜壓壓力為80MPa，溫度1000℃，保溫4小時。進一步地，所述的熱等靜壓法制備Ti2SbP塊體材料的方法，其特征在于：Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料的摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：0.5：2.5，熱等靜壓壓力為50MPa，溫度800℃，保溫5小時。進一步地，所述的熱等靜壓法制備Ti2SbP塊體材料的方法，其特征在于：Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料的摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：1.5：0.7，熱等靜壓壓力為50MPa，溫度800℃，保溫6小時。進一步地，所述的熱等靜壓法制備Ti2SbP塊體材料的方法，其特征在于：Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料的摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：0.8：1.2，熱等靜壓壓力為100MPa，溫度950℃，保溫8小時。進一步地，所述的熱等靜壓法制備Ti2SbP塊體材料的方法，其特征在于：Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料的摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：1.21：1.51，熱等靜壓壓力為80MPa，溫度1100℃，保溫8小時。本發明的有益效果是：1、本發明產品的關鍵因素是將反應物粉末密閉于真空石英管中，防止了磷化物的揮發。在試驗中發現，磷化鈦會在加熱過程中揮發，這些揮發物如果任其揮發到空氣中，會對環境造成巨大危害，也無法參與化學反應，無法獲得我們需要合成的化合物。2、本發明利用熱等靜壓法制備Ti2SbP塊體材料，無界面污染，發明工藝簡單可靠、產率高。3、本發明的產物中Ti2SbP的含量可由內標法測定，其值高達97.3％；材料致密度由阿基米德法(Archimedes)測定，致密度可達理論密度的98％。附圖說明圖1為元素周期表中可形成Mn+1AXn相元素的示意圖。圖2為Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料的摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：(0.5～1.5)：(0.7～2.5)范圍內的原位熱壓工藝燒結Ti2SbP試樣的X射線衍射圖譜。經過分析，燒結試樣中除Ti2SbP相外，未見其它雜質。衍射峰尖銳，說明晶體發育良好。圖3為熱等靜壓后塊體材料斷面的掃描電鏡照片。晶粒尺寸為1－3μm，晶粒發育完善，具有明顯的層狀結構特征。具體實施方式以下通過實施例形式對本發明的上述內容再作進一步的詳細說明，但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發明上述內容所實現的技術均屬于本發明的范圍。實施例1：Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料粉末按摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：1.3：1.6；混合均勻，密封于真空石英管中，放入馬弗爐中進行煅燒。升溫速度為80℃/min，燒結溫度為900℃，保溫48小時。得到的Ti2SbP粉體材料，置于熱等靜壓爐中壓力為50MPa，溫度1000℃，保溫4小時，得到Ti2SbP塊體材料。塊體材料中Ti2SbP含量為94.3％，致密度達理論密度的96％。實施例2：Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料粉末按摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：1.2：2.0；混合均勻，密封于真空石英管中，放入馬弗爐中進行煅燒。升溫速度為80℃/min，燒結溫度為850℃，保溫24小時。得到的Ti2SbP粉體材料，置于熱等靜壓爐中壓力為80MPa，溫度1000℃，保溫4小時，得到Ti2SbP塊體材料。塊體材料中Ti2SbP含量為88.5％，致密度達理論密度的96.5％。實施例3：Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料粉末按摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：0.5：2.5；混合均勻，密封于真空石英管中，放入馬弗爐中進行煅燒。升溫速度為80℃/min，燒結溫度為850℃，保溫24小時。得到的Ti2SbP粉體材料，置于熱等靜壓爐中壓力為50MPa，溫度800℃，保溫5小時，得到Ti2SbP塊體材料。塊體材料中Ti2SbP含量為90.2％，致密度達理論密度的95％。實施例4：原料粉末按摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：1.5：0.7；混合均勻，密封于真空石英管中，放入馬弗爐中進行煅燒。升溫速度為80℃/min，燒結溫度為1000℃，保溫10小時。得到的Ti2SbP粉體材料，置于熱等靜壓爐中壓力為50MPa，溫度800℃，保溫6小時，得到Ti2SbP塊體材料。塊體材料中Ti2SbP含量為85％，致密度達理論密度的95.2％。實施例5：一種合成Ti2SbP粉體材料的方法，它包括如下步驟：1)按Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料的摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：0.8：1.2，稱取Ti粉、Sb粉和TiP粉原料，備用；2)將稱取的Ti粉、Sb粉、TiP粉原料粉末混合均勻后，密封于真空石英管中，置于馬弗爐中進行煅燒；3)升溫步驟為：以5℃/min的升溫速率升至1050℃，保溫30小時；4)煅燒完成后，關掉電源，自然冷卻，得Ti2SbP粉體材料；5)將高純Ti2SbP粉體材料置于氬氣保護的熱等靜壓裝置中，壓力為100MPa，溫度950℃，保溫8小時，得到Ti2SbP塊體材料。實施例6：一種合成高純Ti2SbP粉體材料的方法，它包括如下步驟：1)按Ti粉、Sb粉、TiP粉三種原料的摩爾比為Ti:Sb:TiP＝1：1.21：1.51，稱取Ti粉、Sb粉、TiP粉原料，備用；2)將稱取的Ti粉、Sb粉、TiP粉原料粉末混合均勻后，密封于真空石英管中，置于馬弗爐中進行煅燒；3)升溫步驟為：以50℃/min的升溫速率升至950℃，保溫30小時；4)煅燒完成后，關掉電源，自然冷卻，得Ti2SbP粉體材料；5)將高純Ti2SbP粉體材料置于氬氣保護的熱等靜壓裝置中，壓力為80MPa，溫度1100℃，保溫8小時，得到Ti2SbP塊體材料。參考文獻：[1]M.W.Barsoum.TheMn+1AXnPhases:aNewClassofSolids；ThermodynamicallyStableNanolaminates[J].ProgressinSolidStateChemistry,2000,28:201.[2]SundbergM,MalmqvistG,MagnussonA,EI-RaghyT.Aluminaforminghightemperaturesilicidesandcarbides[J].CeramInt,2004,30:1899.[3]M.W.Barsoum,T.EI-Raghy.TheMAXPhases:UniqueNewCarbideandNitrideMaterials[J].AmericanScientist,2001,89(4):334.[4]“MAXTHALDataSheet”,3-One-2LLC,Voorhees,NewJersey.http://www.3one2.com/[5]“GlobarBulkCeramicNon-inductiveResistors”,Kanthal,anaffiliateofSandvicAB,Sandviken,Sweden.[6]A.Yakoubi,H.Mebtouche,M.Ameri,B.Bouhafs.StructureandBondingofNanolayeredTernaryPhosphides[J].MaterialsSciencesandApplications,2011,2:1383-1391.[7]H.Boller.GemischtePnictidemitgeordnetemTiP-Typ(Ti2SC-Typ)[J].MonatsheftefurChemie,1973,104:166-171。當前第1頁1 2 3 當前第1頁1 2 3