專利名稱：一種采用固態(tài)氮源制備碳氮比例可控的微納米碳氮化鈦粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳氮化鈦粉體制備方技術(shù)的改進(jìn)，具體涉及一種采用固態(tài)氮源制備碳氮比例可控的微納米碳氮化鈦粉體的方法，屬于陶瓷材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
Ti (C、N)具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐酸堿、耐磨損以及良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制備金屬陶瓷、切削工具、模具、熔煉金屬的坩禍、熔鹽電解金屬用電極的襯里材料，以及電觸點(diǎn)和金屬表面的被覆材料。尤其是超細(xì)粉末作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相，具有極大的開發(fā)價值和應(yīng)用前景。
現(xiàn)有制備Ti (C、N)陶瓷粉體的主要方法是由一定量的TiN和TiC粉末均勻混合于 1700 1800°C熱壓固溶或于Ar氣氛中在更高的溫度下固溶而得，或者以TiC粉和Ti粉為原料，混合后在高溫和氮?dú)鈼l件下進(jìn)行長時間碳氮化處理，以生成Ti (C、N)。
現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)是反應(yīng)溫度高、時間長，因此生產(chǎn)效率低、能耗大、生產(chǎn)成本高以及C/N比不易準(zhǔn)確控制等
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單、能耗低、生產(chǎn)成本低且碳氮比例可控的微納米碳氮化鈦粉體的制備方法。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)解決方案如下一種采用固態(tài)氮源制備碳氮比例可控的微納米碳氮化鈦粉體的方法，其制備步驟為1)根據(jù)最終制備得到的碳氮化鈦粉體中的三種元素的比例對氯化銨、鈦粉和炭黑粉備料，鈦粉和炭黑粉的粒徑不小于200目；2)將氯化銨、鈦粉和炭黑粉混合均勻；3)向第2)步得到的混合粉體中加入氯化鈉，氯化鈉加入量為該混合粉體重量的I 2倍;4)將第3)步得到的混合粉體研磨混合均勻，再將混合均勻的混合粉體制成坯體；5)將坯體放入800 1100°C的熔融氯化鈉中，保溫30 120分鐘，冷卻后得到載有碳氮化鈦粉體的氯化鈉鹽塊；6)將載有碳氮化鈦粉體的氯化鈉鹽塊經(jīng)脫鹽處理，去掉氯化鈉，即制備出尺寸在 300-500nm的碳氮化鈦粉體。
第4)步的研磨在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行，球磨工藝為混合粉體裝入球磨機(jī)的球磨罐后，將球磨罐抽真空至O. I I. OPa，再通入氬氣，使球磨罐內(nèi)壓力為O. 9 I. latm，再將球磨罐抽真空至O. I I. OPa，接著通入氬氣，使球磨罐內(nèi)壓力為O. 9 I. latm，然后在球CN 102910910 A書明說2/3頁磨機(jī)轉(zhuǎn)速100 300轉(zhuǎn)/分、球料比為10:1 20:1下混料5 10小時，即得到球磨均勻的混合粉體；最后在3 5MPa壓力下把球磨均勻的混合粉體制成還體。
第6)步脫鹽處理為將載有碳氮化鈦粉體的氯化鈉鹽塊放入水中浸泡10 15小時，水的重量能保證氯化鈉完全溶解；待氯化鈉完全溶解后，過濾出碳氮化鈦粉體并烘干。
現(xiàn)有技術(shù)制備碳氮化鈦一般需要在高溫下，用純碳和鈦或用TiN、氮?dú)庾鳛榈矗?所需溫度高，能耗大。而本發(fā)明以炭黑和鈦粉作為原料，以氯化銨作為固態(tài)氮源，制備Ti (C、 N)陶瓷粉體，制備工藝簡單、成本低、制備溫度低、能耗小，且碳氮比例精確可控。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明制備微納米碳氮化鈦粉體的方法，其制備步驟為I)根據(jù)最終制備得到的碳氮化鈦粉體中的三種元素的比例對氯化銨、鈦粉和炭黑粉備料，鈦粉和炭黑粉的粒徑不小于200目。
2 )將氯化銨、鈦粉和炭黑粉混合均勻。
3)向第2)步得到的混合粉體中加入氯化鈉，氯化鈉加入量為該混合粉體重量的 I 2倍?！?br> 本發(fā)明第2)步是為了將反應(yīng)物均勻混合以有利于后續(xù)反應(yīng)的進(jìn)行，第3)步在第2)步的基礎(chǔ)上加入氯化鈉是為了控制最終產(chǎn)物的分散性，防止產(chǎn)物團(tuán)聚成大顆粒；同時因?yàn)槁然c不參與反應(yīng)，所以分兩步混合效率更高。
4)將第3)步得到的混合粉體研磨混合均勻，再將混合均勻的混合粉體制成坯體； 本發(fā)明研磨在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行，球磨工藝為混合粉體裝入球磨機(jī)的球磨罐后，將球磨罐抽真空至O. I I. OPa，再通入氬氣，使球磨罐內(nèi)壓力為O. 9 I. latm，再將球磨罐抽真空至O. I I. OPa,接著通入気氣,使球磨罐內(nèi)壓力為O. 9 I. latm,然后在球磨機(jī)轉(zhuǎn)速 100 300轉(zhuǎn)/分、球料比為10:1 20:1下混料5 10小時，即得到球磨均勻的混合粉體；最后在3 5MPa壓力下把球磨均勻的混合粉體制成還體。
本發(fā)明制成坯體的目的是使坯體的密度大于熔融氯化鈉的密度，這樣當(dāng)原料坯體被放入熔融氯化鈉時，坯體可以迅速沉入熔融氯化鈉中，從而和大氣環(huán)境隔離，避免發(fā)生原料被氧化的情況。
5)將坯體放入800 1100°C的熔融氯化鈉中，熔融氯化鈉的用量至少要保證能夠完全淹沒坯體，就是保證坯體在熔融氯化鈉中反應(yīng)，不同外界的空氣接觸就行，保溫30 120分鐘，混合粉體在熔鹽中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，冷卻后得到載有碳氮化鈦粉體的氯化鈉鹽塊；反應(yīng)式為NH4Cla [N] +3/2H2+HCl, Ti+C+ [N] Τ (C, N)；或者NH4Cla [N] +3/2H2+HCl, Ti+CaTiC, TiC+_ T (C, N))；6)將載有碳氮化鈦粉體的氯化鈉鹽塊經(jīng)脫鹽處理，去掉氯化鈉，即制備出尺寸在 300-500nm的碳氮化鈦粉體。脫鹽處理為將載有碳氮化鈦粉體的氯化鈉鹽塊放入水中浸泡10 15小時，水的重量能保證氯化鈉完全溶解；待氯化鈉完全溶解后，過濾出碳氮化鈦粉體并烘干即為碳氮化鈦粉體。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是，炭黑中的碳與鈦粉末在高溫下可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成TiC 并放出大量的熱，放出的熱促使氯化銨分解，并提供氮源和C、Ti以及TiC反應(yīng)最終得到4Ti(C、N)。
在球磨過程中，隨著時間的延長，粉體顆粒變小，比表面積增加、活性提高，Ti、C和 NH4Cl逐步形成微米級的混合粉末；氯化鈉鹽的加入可以使得粉體顆粒在球磨中充分分散， 在隨后的高溫熔鹽中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時，易于形成微納米尺寸的陶瓷粉體。高溫熔鹽，不僅提供了化學(xué)反應(yīng)所必需的初始溫度，還對生成的陶瓷顆粒有良好的潤滑作用，避免了微納米陶瓷粉體的團(tuán)聚。
以下給出三個具體實(shí)施例以幫助理解本發(fā)明。
實(shí)施例I :制備TiCa9Na !陶瓷粉體原料為粒徑200目的商用鈦粉、炭黑和氯化銨，按摩爾比1:0. 9:0. 1，配料共30克，加入 30克NaCl，混合后放入球磨機(jī)不銹鋼球磨罐中，將鋼罐用橡膠圈密封后，抽真空至O. 5Pa, 充入氬氣，壓力為0.9atm。再抽真空至0.5Pa，再充入氬氣，壓力為0.9atm。控制球料比為 10:1，控制球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分，球磨6個小時后，利用壓片機(jī)在4MPa的軸向壓力下， 制成Φ 20mm的坯體，將坯體放入900°C的熔融NaCl中，保溫30分鐘。將反應(yīng)后冷卻下來的帶有Ti(C、N)陶瓷粉體的鹽塊放入10倍于鹽塊重量的水中，浸泡10小時。待NaCl完全溶解于水中后。過濾出Ti(C、N)陶瓷粉體，將Ti(C、N)陶瓷粉體反復(fù)用水沖洗烘干后，經(jīng)測定為粒徑為300 500nm的TiCa9Nai陶瓷粉體。
實(shí)施例2 :制備TiCa8Na2陶瓷粉體原料為粒徑200目的商用鈦粉、炭黑和氯化銨，按摩爾比I: O. 8:0. 2，配料共30克，加入 30克NaCl，混合后放入球磨機(jī)不銹鋼球磨罐中，將鋼罐用橡膠圈密封后，抽真空至I. OPa, 充入氬氣，壓力為latm。再抽真空至I. OPa，再充入氬氣，壓力為latm?？刂魄蛄媳葹?0:1， 控制球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分,球磨5個小時后,利用壓片機(jī)在5MPa的軸向壓力下,制成 Φ20 的坯體，將坯體放入1000°C的熔融NaCl中，保溫30分鐘。將反應(yīng)后冷卻下來的帶有Ti (C、N)陶瓷粉體的鹽塊放入10倍于鹽塊重量的水中，浸泡10小時。待NaCl完全溶解于水中后。過濾出Ti(C、N)陶瓷粉體，將Ti(C、N)陶瓷粉體反復(fù)用水沖洗烘干后，經(jīng)測定為粒徑為300 500nm的TiCa8Na2陶瓷粉體。
實(shí)施例3 :制備TiCa Λ. 3陶瓷粉體原料為粒徑200目的商用鈦粉、炭黑和氯化銨，按摩爾比1:0. 7:0. 3，配料共30克，加入 30克NaCl，混合后放入球磨機(jī)不銹鋼球磨罐中，將鋼罐用橡膠圈密封后，抽真空至I. OPa, 充入氬氣，壓力為I. latm。再抽真空至I. OPa，再充入氬氣，壓力為I. latm?？刂魄蛄媳葹?20:1，控制球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分，球磨8個小時后，利用壓片機(jī)在4MPa的軸向壓力下， 制成Φ 20mm的坯體，將坯體放入800°C的熔融NaCl中，保溫30分鐘。將反應(yīng)后冷卻下來的帶有Ti (C、N)陶瓷粉體的鹽塊放入10倍于鹽塊重量的水中，浸泡10小時。待NaCl完全溶解于水中后。過濾出Ti(C、N)陶瓷粉體，將Ti(C、N)陶瓷粉體反復(fù)用水沖洗烘干后，經(jīng)測定為粒徑為300 500nm的TiCtl.凡.3陶瓷粉體。
最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種采用固態(tài)氮源制備碳氮比例可控的微納米碳氮化鈦粉體的方法，其特征在于 其制備步驟為1)根據(jù)最終制備得到的碳氮化鈦粉體中的三種元素的比例對氯化銨、鈦粉和炭黑粉備料，鈦粉和炭黑粉的粒徑不小于200目；2)將氯化銨、鈦粉和炭黑粉混合均勻；3)向第2)步得到的混合粉體中加入氯化鈉，氯化鈉加入量為該混合粉體重量的I 2倍;4)將第3)步得到的混合粉體研磨混合均勻，再將混合均勻的混合粉體制成坯體；5)將坯體放入800 1100°C的熔融氯化鈉中，保溫30 120分鐘，冷卻后得到載有碳氮化鈦粉體的氯化鈉鹽塊；6)將載有碳氮化鈦粉體的氯化鈉鹽塊經(jīng)脫鹽處理，去掉氯化鈉，即制備出尺寸在 300-500nm的碳氮化鈦粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備碳氮比例可控的微納米碳氮化鈦粉體的方法，其特征在于所述第4)步的研磨在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行，球磨工藝為混合粉體裝入球磨機(jī)的球磨罐后，將球磨罐抽真空至O. I I. OPa，再通入氬氣，使球磨罐內(nèi)壓力為O. 9 I. latm，再將球磨罐抽真空至O. I I. OPa，接著通入氬氣，使球磨罐內(nèi)壓力為O. 9 I. latm，然后在球磨機(jī)轉(zhuǎn)速100 300轉(zhuǎn)/分、球料比為10:1 20:1下混料5 10小時，即得到球磨均勻的混合粉體；最后在3 5MPa壓力下把球磨均勻的混合粉體制成還體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備碳氮比例可控的微納米碳氮化鈦粉體的方法，其特征在于所述第6)步脫鹽處理為將載有碳氮化鈦粉體的氯化鈉鹽塊放入水中浸泡10 15小時，水的重量能保證氯化鈉完全溶解；待氯化鈉完全溶解后，過濾出碳氮化鈦粉體并烘干。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用固態(tài)氮源制備碳氮比例可控的微納米碳氮化鈦粉體的方法，1)對氯化銨、鈦粉和炭黑粉備料；2)將三者混合均勻；3)向混合粉體中加入氯化鈉；4)將第3)步得到的混合粉體研磨混合均勻，再制成坯體；5)將坯體放入熔融氯化鈉中，保溫冷卻后得到載有碳氮化鈦粉體的氯化鈉鹽塊；6)將載有碳氮化鈦粉體的氯化鈉鹽塊經(jīng)脫鹽處理，去掉氯化鈉，即制備出尺寸在300-500nm的碳氮化鈦粉體。本發(fā)明以炭黑和鈦粉作為原料，以氯化銨作為固態(tài)氮源，制備Ti(C、N)陶瓷粉體，制備工藝簡單、成本低、制備溫度低、能耗小，且碳氮比例精確可控。
文檔編號C04B35/626GK102910910SQ201210463119
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者楊瑞嵩, 李明田, 劉春海, 崔學(xué)軍, 金永中, 林修洲 申請人:四川理工學(xué)院