一种Ti3AlC2包覆镁砂骨料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种Ti3AlC2包覆镁砂骨料的制备方法，包括以下步骤：（1）将Ti粉、Al粉、碳源预混合；（2）在预混合的粉体中加入无水乙醇，混合后烘干得到前驱体粉体；（3）将催化剂预溶于无水乙醇中，后加入结合剂中；将前驱体粉体加入结合剂

【技术实现步骤摘要】
一种Ti3AlC2包覆镁砂骨料的制备方法


[0001]本专利技术涉及耐火材料领域，具体涉及一种Ti3AlC2包覆镁砂骨料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着钢铁工业的发展，国防军工、航空航天、汽车工业等领域对高性能钢材的要求日趋提高。为提高钢的纯净度，低碳和高性能耐火材料的发展势在必行。高性能钢水需要进行降碳、钙处理等，而钢水净化技术对连铸功能元件提出了更高、更苛刻的要求。滑板是炼钢连铸用关键性功能元件之一，其在使用过程中受到强烈的热震、钢水的冲刷磨损以及环境介质的侵蚀，使用条件极为苛刻。因此，滑板必须具有优良的抗热震性，对高温强度、耐磨性、抗水化性和抗侵蚀性等也有较高要求。铝碳质和铝锆碳质滑板是目前钢厂普遍采用的滑板材质，但这两类滑板在浇铸钙处理钢时，抗钙侵蚀性能力差。MgO具有良好的机械性能和抗化学侵蚀性，且MgO不与CaO、FeO等反应生成低共熔物，在一定程度上满足了浇铸钙处理钢的要求。但MgO较大热膨胀系数（13.5
×
10
‑
6 K
‑1）致使其抗热震性较差，因此镁质滑板在使用过程中易出现贯穿裂纹、滑动面剥落和掉块、钢水渗透等问题，且镁质滑板高温强度低、耐磨性差，在国内浇铸钙处理钢时使用寿命低。因此，高抗热震性、高强度镁质滑板的开发迫在眉睫，目前国内外在此方面的研究报道较少。
[0003]Ti3AlC2是六方层状金属陶瓷，兼具有陶瓷的低密度（4.2 g
·
cm
‑3）、低热膨胀系数（8.8
×
10
‑
6 K
‑1）、高弹性模量（297 GPa）、耐腐蚀性和抗氧化性，以及金属的良好导热（29 W/(m
·
K)）和导电性（3.6
×
10
6 s
·
m
‑1）、不易受热冲击影响和良好的抗热震性。Ti3AlC2对钢水不润湿，在受到钢水冲击时会触发多重能量吸收机制，如晶粒弯折、晶粒拔出、微裂纹扩散和偏转等，会形成塑性损伤区，使其具有良好的抗热震性和抗钢水/渣侵蚀性。更有意义的是Ti3AlC2又比常用的固体润滑剂石墨、MoS2等有更低的摩擦系数和更优的自润滑性能，独特的层状结构和高温下的塑性变形能力可耗散大量的能量，极大地缓解镁砂骨料高温膨胀产生的热应力作用，这些特性使Ti3AlC2能够部分或全部代替石墨降低碳含量，同时保持优良的抗热震性。
[0004]目前制备Ti3AlC2陶瓷的方法主要是放电等离子烧结、热压烧结和微波烧结等，但这些烧结方法均不利于Ti3AlC2在镁砂骨料表面的原位合成。已有报道指出，在含碳材料中引入Ti3AlC2可改善含碳耐火材料的性能，但在基质引入时，不能很好解决占比65
‑
70%的镁砂骨料产生膨胀而导致的开裂问题。采用原位合成Ti3AlC2包覆镁砂骨料的制备方法，与Ti3AlC2直接添加到材料基质中相比，由于Ti3AlC2的层状结构，极大地缓解镁砂骨料高温膨胀产生的热应力，有效提高了镁碳质滑板的抗热震性。Ti3AlC2与冶金熔渣难润湿，有利于提高材料的抗侵蚀性。此外，Ti3AlC2包覆镁砂后，可以防止镁质滑板在磨制过程中MgO与水的反应，进而提高镁质滑板的抗水化性。Ti3AlC2在高温下还可与O2反应在材料生成致密的TiO2和Al2O3层，Al2O3可以进一步与内部的MgO反应生成低热膨胀的尖晶石结构（MgAl2O4），进而提高镁质材料的抗氧化性和抗热震性。这种制备方法工艺简单，生产成本相对较低，适合于规模化生产。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种Ti3AlC2包覆镁砂骨料的制备方法，该方法具有工艺简单、制备周期短、生产成本相对较低等优势，适用于规模化生产和应用。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种Ti3AlC2包覆镁砂骨料的制备方法，包括以下步骤：（1）将Ti粉、Al粉、碳源装入球磨罐，于高能球磨机中预混合20
‑
60 min，得到预混合的粉体；（2）在预混合的粉体中加入无水乙醇，粉体和无水乙醇的质量比为1 : 2
‑
5，继续球磨1
‑
5 h，60
‑
80 ℃烘干得到混合均匀的前驱体粉体；（3）将催化剂预溶于无水乙醇中，后加入结合剂中，无水乙醇和结合剂的质量比为0.5
‑
4 : 4，在20
‑
60 ℃下搅拌至充分溶解；将前驱体粉体加入结合剂
‑
无水乙醇
‑
催化剂的混合液中，超声搅拌0.5
‑
5 h后静置1
‑
3 h；（4）将镁砂骨料浸入步骤（3）所得溶液中，继续搅拌30 min后过滤，得到包覆好的镁砂骨料，将其分别在60 ℃、120 ℃和180 ℃下干燥3
‑
12 h；（5）将包覆好的镁砂骨料放入烧结炉中，于Ar气氛保护下烧结，烧制结束后随炉冷却至室温即可得到Ti3AlC2包覆镁砂骨料。
[0007]进一步，所述Ti粉、Al粉、碳源的摩尔比M
Ti
: M
Al
: M
碳源
=2.9
‑
3.1 : 0.9
‑
1.3 : 1.9
‑
2.1。
[0008]进一步，所述碳源为炭黑、石墨或活性炭。
[0009]进一步，所述Ti粉、Al粉、碳源的纯度不低于99%，粒径为50 nm
‑
100 μm。
[0010]进一步，所述高能球磨机采用钢制球磨罐，球磨时转速为100
‑
500 r/min，球料比为5
‑
10 : 1。
[0011]进一步，所述催化剂为硝酸铁、硝酸镍、硝酸钴、硝酸铁
‑
硝酸钴、硝酸铁
‑
硝酸镍、硝酸镍
‑
硝酸钴、硝酸铁
‑
乙酸锌、硝酸镍
‑
乙酸锌、硝酸钴
‑
乙酸锌中的一种。
[0012]进一步，所述结合剂为酚醛树脂、环氧树脂、沥青和焦油中的一种。
[0013]进一步，所述催化剂中的金属离子的总质量为结合剂质量的0.1
‑
1.5%。
[0014]进一步，所述步骤（4）进行1
‑
5次。
[0015]进一步，所述步骤（5）烧结条件为：升温至1400
‑
1600 ℃保温1
‑
6 h，升温速率保持在1
‑
6 ℃/min。
[0016]本专利技术上述技术方案中，关键点主要如下：1、在结合剂中添加少量催化剂，催化剂使结合剂形成石墨化程度高的各向异性的小粒度石墨，其性能优于结合剂直接形成的玻璃态无定形碳。
[0017]2、控制Ti粉、Al粉和碳源之间的比例，适当改变各成分之间的配比，使Ti3AlC2包覆镁砂骨料的性能达到最优化。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ti3AlC2包覆镁砂骨料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：（1）将Ti粉、Al粉、碳源装入球磨罐，于高能球磨机中预混合20
‑
60 min，得到预混合的粉体；（2）在预混合的粉体中加入无水乙醇，粉体和无水乙醇的质量比为1 : 2
‑
5，继续球磨1
‑
5 h，60
‑
80 ℃烘干得到混合均匀的前驱体粉体；（3）将催化剂预溶于无水乙醇中，后加入结合剂中，无水乙醇和结合剂的质量比为0.5
‑
4 : 4，在20
‑
60 ℃下搅拌至充分溶解；将前驱体粉体加入结合剂
‑
无水乙醇
‑
催化剂的混合液中，超声搅拌0.5
‑
5 h后静置1
‑
3 h；（4）将镁砂骨料浸入步骤（3）所得溶液中，继续搅拌30 min后过滤，得到包覆好的镁砂骨料，将其分别在60 ℃、120 ℃和180 ℃下干燥3
‑
12 h；（5）将包覆好的镁砂骨料放入烧结炉中，于Ar气氛保护下烧结，烧制结束后随炉冷却至室温即可得到Ti3AlC2包覆镁砂骨料。2.根据权利要求1所述的Ti3AlC2包覆镁砂骨料的制备方法，其特征在于，所述Ti粉、Al粉、碳源的摩尔比M
Ti : M
Al : M
碳源
=2.9
‑
3.1 : 0.9
‑
1.3 : 1.9
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【专利技术属性】
技术研发人员：苏凯，黄磊，刘新红，田学坤，
申请(专利权)人：平顶山市建筑节能与绿色建筑发展中心，
类型：发明
国别省市：