[发明专利]用于制备非氧化物陶瓷粉末的方法

说明书

本发明提供一种用于制备非氧化物陶瓷粉末的方法，该非氧化物陶瓷粉末包括氮化物、碳化物、硼化物或至少一个具有一般组成M_n+1AX_n的MAX相，其中M＝至少一种选自过渡元素族(Sc、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf和Ta)中的元素，A＝至少一种选自组（Si、Al、Ga、Ge、As、Cd、In、Sn、Tl和Pb）中的A族元素，X＝碳(C)和/或氮(N)和/或硼(B)并且n＝1、2或3。根据本发明，将相应量的单质起始材料或其它前体与至少一种金属卤素盐(NZ)混合、压制(丸粒)并且为了合成与金属卤素盐(NZ)一起加热。压制的丸粒首先用另外的金属卤素盐包覆，再次压制，置于盐浴中并与其一起加热到高于盐的熔化温度。任选地，可以加入熔融硅酸盐，这防止了盐在较高温度下蒸发。有利地，该方法可以在空气存在下进行。

本发明涉及陶瓷粉末的制备，尤其涉及非氧化物陶瓷粉末的制备，所述陶瓷粉末包括氮化物、碳化物或硼化物，并且在此尤其也涉及MAX相粉末的合成。

现有技术

已知的是，非氧化物材料的合成总是在保护气氛中或在真空中进行，以抑制在存在氧的情况下的材料氧化。因此，不可避免的要求是，必须被保护以免受不期望的氧化的非氧化物材料的加工通常在氩气、氮气的保护气氛中或在真空中进行。

MAX相的合成目前同样在氩气下或在真空中在直至超过1000℃的温度下进行。MAX相被理解为通式M_n+1AX_n的化合物，其中M=过渡元素(例如Ti、V、Cr、……)，A=A族元素(Al、Si、……)、X=碳或氮，和n = 1、2或3。MAX相按照一般定义表示一类三元氮化物和碳化物。MAX相的制备通常以烧结步骤进行，所述烧结步骤通常也称为“反应性烧结”。然而在这种方法步骤中不能将MAX相制成为自由粉末，该自由粉末对于进一步的造型(konturgebende)工艺是必要的。

MAX相的第一个实例(Ti₃SiC₂)由Jeitschko和Nowotny首次制备，其中混合的氢化钛、硅和石墨在石墨坩埚中在2000℃下加热^[1]。然而，这些高温使得大规模的MAX合成无利可图。

Barsoum等人使用例如钛、碳和碳化硅的混合粉末来制备MAX相(Ti₃SiC₂)，其中，在1600℃下热压粉末混合物，并且在此设定40 MPa的单轴压力^[2]。如此制备的MAX相是完全致密的，并且显示出简单的形状，其还须机器加工以用于进一步的造型。就此而言，为了借助上述方法由致密材料制备MAX相自由粉末，需要附加的研磨或磨削工艺。

整块Ti₃SiC₂也已经通过化学气相沉积(英文：chemical vapour deposition，CVD)法合成，其中使用了钛、硅和碳的氯化物前体^[3]。

这种制备MAX相的方法的缺点通常是低的沉积速率和昂贵并经常有毒的前体。此外，CVD不适合合成粉末，而仅适合于在基材上沉积薄的膜或层。

所有上述方法都描述在氩气或氮气的保护气氛中或在真空下制备MAX相粉末。

通过熔融盐的氧化物和碳化物陶瓷粉末的合成路线也是已知的。然而在这种方法中，总是设定保护气氛或真空，这增加了这种合成的成本。

Guo等人已经在保护气体气氛(氩气)下通过由NaCl的熔融盐作为熔剂（Flussmittel）制备了Ti₃SiC₂ MAX相^[4]。

Cr₂AlC粉末也已经借助于熔融盐合成，对于所述熔融盐使用比例为1:1的NaCl和KCl的混合物作为熔剂。在真空下将反应混合物填充到石英管中并且在高温下热处理。该方法也总是需要保护气氛或真空，以促进高温下的反应。