2024年4月29日发(作者：王者荣耀v10账号能卖多少钱)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.6

(22)申请日 2013.04.16

(71)申请人 武汉理工大学

地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路122号

(72)发明人 宋京红 涂勇威 梅炳初 朱文彬

(74)专利代理机构 湖北武汉永嘉专利代理有限公司

代理人 唐万荣

(51)

C01B31/26

权利要求说明书 说明书 幅图

(10)申请公布号 CN 103253667 A

(43)申请公布日 2013.08.21

(54)发明名称

一种三元层状碳化物Ti

(57)摘要

本发明涉及一种三元层状碳化物Ti

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种三元层状碳化物Ti₂SC材料的制备方法，其特征在于以Al为助

剂利用高温高压合成方法来制备致密的Ti₂SC材料，其原料包括Ti粉，

S粉，C粉和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：Al=2:(1.0~1.4):1:(0.1~0.2)。

2.根据权利要求1所述的一种三元层状碳化物Ti₂SC材料的制备方法，

其特征在于具体步骤如下：

（1）称料：称取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：

Al=2:(1.0~1.4):1:(0.1~0.2)；

（2）将称取的原料粉末混合均匀，烘干，预压成型；

（3）烧结：将成型好的样品置于高温高压条件下进行烧结，再自然冷却，即可得

到三元层状碳化物Ti₂SC材料。

3.根据权利要求2所述的一种三元层状碳化物Ti₂SC材料的制备方法，

其特征在于所述烧结工艺条件为：以50~150℃/min的升温速率升至烧结温度

1200~1600℃，保温10~60min，压力为2~6GPa。

4.权利要求1~3所述的制备方法得到三元层状碳化物Ti₂SC材料。

说 明 书

技术领域

本发明涉及新型结构材料领域，特别是涉及一种三元层状碳化物

Ti₂SC材料的制备方法。

背景技术

Ti₂SC作为层状化合物M_n+1AX_n（其中“M”

代表前期过渡元素，“A”代表一种主族元素，“X”代表C或N元素，n=1,2或3）中

的一员，同时具有金属和陶瓷的优异性能，像金属一样，抗热冲击性能好，导电导

热，高温易塑性，特别是抗破坏能力强和可加工性好；又像陶瓷，弹性刚性好，质

轻，耐疲劳和耐高温。这些优异性能使得它们在很多应用方面是很吸引人的，比如

用作高温结构材料。而Ti₂SC是其中晶格常数c值最小的，且S为非

金属元素，就使得Ti₂SC具有很多特殊的优异性能，该族中最高的室

温热导率60W/mK，最高的维氏硬度8GPa，以及杨氏模量316±2Gpa为

M₂AX中最大的等。这吸引了越来越多的材料研究工作者的关注。

但是，关于Ti₂SC的研究比这个族的其他化合物要少。2008年

Kulkarni 等利用同步加速器辐射X射线衍射和钻石砧装置研究了

Ti₂SC的晶格参数与压强的关系(参见文献

Shrinivas R. Kulkarni, Vennila, Nishad A. Phatak, S.K. Saxena ,C.S. Zha, T. El-

Raghy, M.W. Barsoumd,, R. Ahuja，

Study of Ti₂SC under compression up to 47GPa，

Journal of Alloys and Compounds 448 (2008) L1–L4)；2007年Shahram Amini等报道

了利用Ti₂SC粉末合成陶瓷的方法及其机械性能的研究（参见文献

Shahram Amini，Michel W. Barsoum，and Tamer El-Raghy，

Synthesis and Mechanical Properties of Fully Dense Ti₂SC，

Journal of the American Ceramic Society，2007，3953–3958）。2008年，

Y.L. Du et al 利用第一性原理的计算方法研究了Ti₂SC的电子结构和弹

性性能（参见文献，，H. Hashimoto，，First-

principles study on electronic structure and elastic properties of Ti₂SC，

Physics Letters A 372 (2008) 5220–5223）。综上所述，关于Ti₂SC理论

研究计算的文章很多，但是有关利用元素合成Ti₂SC的方法的报道几

乎未见报道，特别是在高温高压条件下的合成。

自从1955年Bundy等首次利用高温高压手段在实验室人工合成出只有在地球内部

条件下才能形成的、具有重大应用价值的金刚石以后，高温高压合成的研究工作发

展成为研究热潮。高温高压实验方法有着许多常规方法不可能达到的特殊作用：可

以阻止热力学上不稳定的起始原料的分解；有利于致密相的合成；可以降低合成温

度和缩短合成时间等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种三元层状碳

化物Ti₂SC材料的制备方法，直接采用元素粉作为原料进行原位烧结，

以Al为助熔剂，降低了合成温度，采用高温高压的烧结方法，有利于快速烧结合

成Ti₂SC材料。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种三元层状碳化物Ti₂SC材料的制备方法，以Al为助剂利用高温高

压合成方法来制备致密的Ti₂SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉

和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：Al=2:(1.0~1.4):1:(0.1~0.2)。

一种三元层状碳化物Ti₂SC材料的制备方法，其具体步骤如下：

（1）称料：称取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：

Al=2:(1.0~1.4):1:(0.1~0.2)；

（2）将称取的原料粉末混合均匀，烘干，预压成型；

（3）烧结：将成型好的样品置于模具中，在高温高压炉中进行烧结，再随炉自

然冷却，即可得到三元层状碳化物Ti₂SC材料。

按上述方案，所述烧结工艺条件为：以50~150℃/min的升温速率升至烧结温度

1200~1600℃，保温10~60min，压力为2~6GPa。

按上述方案，本发明制备得到的三元层状碳化物Ti₂SC材料，其性能

指标为：致密度≥99％，Ti₂SC的含量≥80wt％，在INSTRON-1195万

能力学实验机上测得，材料的抗压强度≥1000MPa，三点弯曲强度

σ_b≥630MPa，断裂韧性K_IC≥6.4MP*m^1/2，维

氏硬度≥8GPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明以Al为助熔剂，因为Al的熔点较低，在高温合成过程中形成液相，

反应物溶于其中，降低了合成温度，有利于反应合成Ti₂SC，同时形

成了低共熔点，所以合成温度降低。

（2）本发明采用高温高压的烧结方法，能有效地抑制S粉的挥发，有利于致密相

Ti₂SC的合成，而且升温速率快，合成时间短，因为在2-6GPa的高压

下，S的熔点和沸点有很大的提高，就在很大程度上抑制了S粉的挥发；根据对

Ti₂SC的热力学理论计算结果可知，在高压条件下，对于反应

（TiS+TiC→Ti₂SC）的吉布斯自由能△G是降低的，所以有利于合成

反应的进行。

（3）本发明直接采用元素粉作为原料进行原位烧结，简化工艺、降低材料成本；

由于S粉易挥发，在用热压或SPS合成Ti₂SC时需要先将S粉与Ti粉

合成TiS₂，而在高压条件下S粉的挥发得到了很好的抑制，所以直接

材料元素粉进行烧结。

附图说明

图1为实施例1制备的三元层状碳化物Ti₂SC材料的X射线衍射图谱。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

一种三元层状碳化物Ti₂SC材料的制备方法，以Al为助剂利用高温高

压合成方法来制备致密的Ti₂SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉

和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：Al=2:1.2:1:0.1，其具体步骤如下：

（1）称料：称取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：

Al=2:1.2:1:0.1；

（2）将称取的原料粉末在酒精中混合均匀，烘干，放入钢模具中预压成型；

（3）烧结：将成型好的样品装入叶腊石模具中，再放入高温高压炉中进行烧结，

升温速率150℃/min，烧结温度1400℃，压力为4GPa，保温1h，再随炉自然冷却，

即可得到三元层状碳化物Ti₂SC材料。

根据图1可知，按照本实施例的配比与烧结工艺制得的三元层状碳化物

Ti₂SC材料单相致密，纯度较高，只有少量的TiC杂质。

所得Ti₂SC块体材料致密度为99.5％，Ti₂SC的含量为

88wt％，在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度为1200MPa，

三点弯曲强度σ_b为700MPa，断裂韧性K_IC为

7MP*m^1/2，维氏硬度为9GPa。

实施例 2

一种三元层状碳化物Ti₂SC材料的制备方法，以Al为助剂利用高温高

压合成方法来制备致密的Ti₂SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉

和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：Al=2:1.0:1:0.1，其具体步骤如下：

（1）称料：称取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：

Al=2:1.0:1:0.1；

（2）将称取的原料粉末在酒精中混合均匀，烘干，放入钢模具中预压成型；

（3）烧结：将成型好的样品装入叶腊石模具中，再放入高温高压炉中进行烧结，

升温速率100℃/min，烧结温度1200℃，压力为6GPa，保温10min，再随炉自然

冷却，即可得到三元层状碳化物Ti₂SC材料。

所得到的Ti₂SC材料致密度为99.2％，Ti₂SC的含量为

80wt％，在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度为1050MPa，

三点弯曲强度σ_b为630MPa，断裂韧性K_IC为

6.4MP*m^1/2，维氏硬度为8GPa。

实施例3

一种三元层状碳化物Ti₂SC材料的制备方法，以Al为助剂利用高温高

压合成方法来制备致密的Ti₂SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉

和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：Al=2:1.1:1:0.2，其具体步骤如下：

（1）称料：称取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：

Al=2:1.1:1:0.2；

（2）将称取的原料粉末在酒精中混合均匀，烘干，放入钢模具中预压成型；

（3）烧结：将成型好的样品装入叶腊石模具中，再放入高温高压炉中进行烧结，

升温速率100℃/min，烧结温度1300℃，压力为4GPa，保温30min，再随炉自然

冷却，即可得到三元层状碳化物Ti₂SC材料。

所得到的Ti₂SC材料致密度为99.2％，Ti₂SC的含量为

84wt％，在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度为1100MPa，

三点弯曲强度σ_b为670MPa，断裂韧性K_IC为

6.6MP*m^1/2，维氏硬度为8.5GPa。

实施例4

一种三元层状碳化物Ti₂SC材料的制备方法，以Al为助剂利用高温高

压合成方法来制备致密的Ti₂SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉

和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：Al=2:1.2:1:0.2，其具体步骤如下：

（1）称料：称取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：

Al=2:1.2:1:0.2；

（2）将称取的原料粉末在酒精中混合均匀，烘干，放入钢模具中预压成型；

（3）烧结：将成型好的样品装入叶腊石模具中，再放入高温高压炉中进行烧结，

升温速率150℃/min，烧结温度1500℃，压力为4GPa，保温30min，再随炉自然

冷却，即可得到三元层状碳化物Ti₂SC材料。

所得Ti₂SC材料致密度为99.2％，Ti₂SC的含量为85wt％，

在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度为1100MPa，三点弯

曲强度σ_b为660MPa，断裂韧性K_IC为

6.5MP*m^1/2，维氏硬度为8.5GPa。

实施例5

一种三元层状碳化物Ti₂SC材料的制备方法，以Al为助剂利用高温高

压合成方法来制备致密的Ti₂SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉

和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：Al=2:1.3:1:0.1，其具体步骤如下：

（1）称料：称取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：

Al=2:1.3:1:0.1；

（2）将称取的原料粉末在酒精中混合均匀，烘干，放入钢模具中预压成型；

（3）烧结：将成型好的样品装入叶腊石模具中，再放入高温高压炉中进行烧结，

升温速率150℃/min，烧结温度1500℃，压力为3GPa，保温40min，再随炉自然

冷却，即可得到三元层状碳化物Ti₂SC材料。

所得Ti₂SC材料致密度为99％，Ti₂SC的含量为85wt％，

在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度为1150MPa，三点弯

曲强度σ_b为680MPa，断裂韧性K_IC为

6.5MP*m^1/2，维氏硬度为8.5GPa。

实施例6

一种三元层状碳化物Ti₂SC材料的制备方法，以Al为助剂利用高温高

压合成方法来制备致密的Ti₂SC材料，其原料包括Ti粉，S粉，C粉

和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：Al=2:1.4:1:0.2，其具体步骤如下：

（1）称料：称取Ti粉，S粉，C粉和Al粉，四种原料的摩尔配比为Ti：S：C：

Al=2:1.4:1:0.2；

（2）将称取的原料粉末在酒精中混合均匀，烘干，放入钢模具中预压成型；

（3）烧结：将成型好的样品装入叶腊石模具中，再放入高温高压炉中进行烧结，

升温速率150℃/min，烧结温度1600℃，压力为2GPa，保温30min，再随炉自然

冷却，即可得到三元层状碳化物Ti₂SC材料。

所得Ti₂SC材料致密度为99％，Ti₂SC的含量为82wt％，

在INSTRON-1195万能力学实验机上测得，材料的抗压强度为1000MPa，三点弯

曲强度σ_b为650MPa，断裂韧性K_IC为

6.4MP*m^1/2，维氏硬度为8GPa。

本发明所列举的各原料，以及本发明各原料的上下限、区间取值，以及工艺参数

（如温度、时间等）的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。