一种Ti3AlC2粉体及其制备方法与流程

本发明属于三元过渡金属碳化物材料域技术领域。具体涉及一种ti3alc2粉体及其制备方法。

背景技术：

ti3alc2是一种典型的层状三元过渡金属碳化物，属于max相家族。其独特的原子组合方式赋予其优异的特性，如低密度、高模量、强抗氧化能力和良好的热(电)传导性能。其衍生物ti3c2txmxene是一种新型的二维材料，可通过在含氟化物的酸性水溶液中选择性刻蚀ti3alc2中的al层制得，可用于储能、电磁屏蔽、增强材料、水净化、生物传感器、催化剂等众多领域，具有广阔的应用前景。

常用的ti3alc2粉体合成方法有无压烧结法、熔盐法、等离子体烧结法、固液反应合成法、机械合金化法等。congcui等用熔盐法合成ti3alc2粉体(congcui,etal.high-capacitanceti3c2txmxeneobtainedbyetchingsubmicronti3alc2grainsgrowninmoltensalt[j].chemicalcommunications,2018,58:8013-8038.)，该技术在1250℃保温3h虽能合成比较纯的ti3alc2粉体，但是合成时间较长，能耗大。mingxingai等通过将钛粉、铝粉、石墨冷压成一定体积的柱状坯体，在1450～1500℃煅烧，能够合成纯度较高的ti3alc2粉体(mingxingai,etal.synthesisofti3alc2powdersusingsnasanadditive[j].journaloftheamericanceramicsociety,2006,89(3):1114-1117.)，但是该技术的合成温度较高，工艺条件苛刻，柱状坯体体积控制不当极易引起热爆炸。shiboli等采用真空无压烧结法，在1350℃保温3h虽合成ti3alc2粉体(shiboli,etal.synthesisandmicrostructureofti3alc2bymechanicallyactivatedsinteringofelementalpowders[j].ceramicsinternational,2007,33(2):169-173.)，但该技术合成的ti3alc2产物纯度不高。“ti3alc2粉体的制备方法”(cn200510110176.3)专利技术，该技术将单质ti、al、c在氩气气氛下球磨40～80小时，然后在850～1100℃退火2～4h，虽制得ti3alc2粉体，但该专利技术制备周期较长。

因此，现有的ti3alc2粉体的制备方法普遍存在合成温度高、周期长、能耗高和生产效率低等问题。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术的缺陷，目的在于提供一种原料利用率高、生产周期短、能耗低和生产效率高的ti3alc2粉体的制备方法，用该方法制备的ti3alc2粉体纯度高。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案的步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶(1～2)∶(1～2)，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶(1～5)，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶(2～10)，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨1～2h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以30～45℃/min的速率将所述微波炉升温至440～460℃，再以25～30℃/min的速率升温至590～610℃，然后以15～25℃/min的速率升温到900～1200℃，保温5～60min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，干燥，制得ti3alc2粉体。

所述钛粉的粒径为1～2μm，纯度≥99％。

所述铝粉的粒径为20～50μm，纯度≥99％。

所述石墨的粒径为50～150μm，纯度≥99％。

所述行星式球磨机的转速为150～250r/min。

所述球磨的介质为无水乙醇。

所述水洗为用去离子水反复清洗3～5次。

所述干燥是在60～80℃条件下干燥12～24h。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

(1)本发明以钛粉、铝粉和石墨为反应物料，以氯化钠和氯化钾为熔盐介质，相比现有技术，由于熔盐介质的加入，在加热过程中为反应物料提供液相环境，促进钛粉、铝粉和石墨充分反应，故原料利用率高和制品纯度高。

(2)本发明采用微波熔盐法，由于石墨吸收微波，在微波场中发生介质损耗引起整体加热，降低了反应温度，缩短保温时间，故能源利用率高、生产周期短、生产效率高。

(3)本发明的微波加热过程以不同的升温速率分段升温至所需的温度，可以促进中间产物在低温阶段的合成和在中高温阶段再反应生成最终产物，提高了原料利用率和生产效率。且保温后采用自然冷却方式，进一步降低了能耗。

本发明制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为93～96％。

因此，本发明具有原料利用率高、生产周期短、能耗低和生产效率高的特点，所制备的ti3alc2粉体纯度高，适合大批量生产。

附图说明

图1为本发明制备的一种ti3alc2粉体的xrd图谱；

图2为图1所示ti3alc2粉体的sem照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对对本发明作进一步说明，并非对其保护范围的限制。

一种ti3alc2粉体及其制备方法。所述制备方法的步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶(1～2)∶(1～2)，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶(1～5)，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶(2～10)，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨1～2h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以30～45℃/min的速率将所述微波炉升温至440～460℃，再以25～30℃/min的速率升温至590～610℃，然后以15～25℃/min的速率升温到900～1200℃，保温5～60min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，干燥，制得ti3alc2粉体。

本具体实施方式中：

所述钛粉的粒径为1～2μm，纯度≥99％。

所述铝粉的粒径为20～50μm，纯度≥99％。

所述石墨的粒径为50～150μm，纯度≥99％。

所述行星式球磨机的转速为150～250r/min。

所述球磨的介质为无水乙醇。

所述水洗为用去离子水反复清洗3～5次。

实施例中不再赘述。

实施例1

一种ti3alc2粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶1∶1，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶2.5，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶2，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨1h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以38℃/min的速率将所述微波炉升温至450℃，再以27℃/min的速率升温至600℃，然后以23℃/min的速率升温到1050℃，保温20min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，在60℃条件下干燥24h，制得ti3alc2粉体。

本实施例制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为96％。

实施例2

一种ti3alc2粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶1.1∶2，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶4，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶7，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨1h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以36℃/min的速率将所述微波炉升温至460℃，再以25℃/min的速率升温至610℃，然后以20℃/min的速率升温到1100℃，保温30min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，在80℃条件下干燥12h，制得ti3alc2粉体。

本实施例制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为95％。

实施例3

一种ti3alc2粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶1.2∶1.8，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶1.8，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶6，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨1.5h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以45℃/min的速率将所述微波炉升温至440℃，再以30℃/min的速率升温至610℃，然后以25℃/min的速率升温到1200℃，保温5min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，在80℃条件下干燥18h，制得ti3alc2粉体。

本实施例制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为96％。

实施例4

一种ti3alc2粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶1.3∶1.7，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶1.5，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶5，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨1.5h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以40℃/min的速率将所述微波炉升温至440℃，再以28℃/min的速率升温至590℃，然后以20℃/min的速率升温到1150℃，保温15min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，在70℃条件下干燥18h，制得ti3alc2粉体。

本实施例制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为96％。

实施例5

一种ti3alc2粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶1.4∶1.6，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶2，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶4，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨1.5h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以35℃/min的速率将所述微波炉升温至460℃，再以30℃/min的速率升温至590℃，然后以25℃/min的速率升温到1000℃，保温40min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，在60℃条件下干燥12h，制得ti3alc2粉体。

本实施例制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为95％。

实施例6

一种ti3alc2粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶1.5∶1.4，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶1，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶3，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨1h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以30℃/min的速率将所述微波炉升温至450℃，再以25℃/min的速率升温至600℃，然后以20℃/min的速率升温到950℃，保温45min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，在70℃条件下干燥12h，制得ti3alc2粉体。

本实施例制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为96％。

实施例7

一种ti3alc2粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶1.6∶1.5，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶3，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶8，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨2h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以32℃/min的速率将所述微波炉升温至460℃，再以26℃/min的速率升温至600℃，然后以20℃/min的速率升温到1000℃，保温50min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，在60℃条件下干燥18h，制得ti3alc2粉体。

本实施例制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为94％。

实施例8

一种ti3alc2粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶1.7∶1.3，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶3.5，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶6，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨2h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以34℃/min的速率将所述微波炉升温至440℃，再以29℃/min的速率升温至600℃，然后以15℃/min的速率升温到1050℃，保温10min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，在80℃条件下干燥24h，制得ti3alc2粉体。

本实施例制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为94％。

实施例9

一种ti3alc2粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶1.8∶1.2，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶4.5，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶5，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨2h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以30℃/min的速率将所述微波炉升温至450℃，再以25℃/min的速率升温至590℃，然后以17℃/min的速率升温到900℃，保温55min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，在70℃条件下干燥24h，制得ti3alc2粉体。

本实施例制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为93％。

实施例10

一种ti3alc2粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶1.9∶1.1，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶2，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶10，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨2h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以35℃/min的速率将所述微波炉升温至450℃，再以25℃/min的速率升温至610℃，然后以20℃/min的速率升温到900℃，保温60min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，在80℃条件下干燥20h，制得ti3alc2粉体。

本实施例制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为93％。

实施例11

一种ti3alc2粉体及其制备方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、按钛粉∶铝粉∶石墨的摩尔比为3∶2∶1.9，将所述钛粉、所述铝粉和所述石墨混合，得到反应物料；再按氯化钠和氯化钾的摩尔比为1∶1，将所述氯化钠和所述氯化钾混合，得到熔盐介质；然后按所述反应物料∶所述熔盐介质的质量比为1∶5，将所述反应物料和所述熔盐介质混合，得混合物料。

步骤二、按所述混合物料∶玛瑙球的质量比为1∶9，将所述混合物料与所述玛瑙球置于行星式球磨机中，球磨2h，得到球磨料。

步骤三、将所述球磨料放入氧化铝坩埚内，再将所述氧化铝坩埚置入保温结构匣钵中，用碳化硅粉填充所述保温结构匣钵与所述氧化铝坩埚间的间隙，然后将所述保温结构匣钵放入微波炉中。

步骤四、在氩气气氛中，先以43℃/min的速率将所述微波炉升温至450℃，再以30℃/min的速率升温至610℃，然后以22℃/min的速率升温到1100℃，保温30min，随炉冷却至室温，得到反应产物。

步骤五、将所述反应产物研磨，水洗，抽滤，在70℃条件下干燥20h，制得ti3alc2粉体。

本实施例制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为96％。

本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：

(1)本具体实施方式以钛粉、铝粉和石墨为反应物料，以氯化钠和氯化钾为熔盐介质，相比现有技术，由于熔盐介质的加入，在加热过程中为反应物料提供液相环境，促进钛粉、铝粉和石墨充分反应，故原料利用率高和制品纯度高。

本具体实施方式制备的ti3alc2粉体如附图所示：图1为实施例1制备的ti3alc2粉体的xrd图谱；图2为图1所示ti3alc2粉体的sem照片。由图1可知，所制制品中出现ti3alc2相，但含有tic杂质相，用x射线衍射k值法计算出ti3alc2相占96％，tic杂质相占4％；由图2可知，所制制品中出现的密实层状结构的颗粒为ti3alc2颗粒。

本具体实施方式制备的ti3alc2粉体通过x射线衍射k值法计算：纯度为93～96％。

(2)本具体实施方式采用微波熔盐法，由于石墨吸收微波，在微波场中发生介质损耗引起整体加热，降低了反应温度，缩短保温时间，故能源利用率高、生产周期短、生产效率高。

(3)本具体实施方式的微波加热过程以不同的升温速率分段升温至所需的温度，可以促进中间产物在低温阶段的合成和在中高温阶段再反应生成最终产物，提高了原料利用率和生产效率。且保温后采用自然冷却方式，进一步降低了能耗。

因此，本具体实施方式具有原料利用率高、生产周期短、能耗低和生产效率高的特点，所制备的ti3alc2粉体纯度高，适合大批量生产。