一種合成塊狀硅鈦金屬間化合物的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬間化合物制備技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)計(jì)一種合成塊狀硅鈦金屬間化合物的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]施普林格出版社綜述報(bào)道了硅鈦金屬間化合物的相關(guān)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)(G.Frommeyer,R.Rosenkranz, Structures and Properties of the RefractorySilicides Ti5Si3and TiSi2and T1-S1-(Al)Eutectic Alloys, in:0.Senkov, D.Miracle, S.Firstov (Eds.)Metallic Materials with High Structural Efficiency, SpringerNetherlands, 2004, pp.287-308.)。硅鈦金屬間化合物Ti5Si3& TiSi 2具有很高的抗氧化性、很好的抗蠕變性、較輕的比重以及優(yōu)良的電化學(xué)特性等諸多良好性質(zhì)，因此它的合成方法有著廣泛的研宄。有一部份的硅鈦金屬間化合物材料結(jié)構(gòu)與性質(zhì)研宄中會(huì)采用超高溫恪融鈦單質(zhì)與娃單質(zhì)來(lái)合成這一材料，但由于成本過(guò)高，這一方法只能在實(shí)驗(yàn)室小范圍應(yīng)用?，F(xiàn)在廣泛發(fā)展著的娃鈦金屬間化合物合成方法有自蔓延法(C.L.Yeh, W.H.Chen, C.C.Hsu, Format1n of titanium silicides Ti5Si3and TiSi2by self-propagatingcombust1n synthesis, Journal of Alloys and Compounds 432(2007)90-95)、 機(jī)械合金化方法(H.Y.Wang, S.J.Lu, ff.Xiao, G.J.Liu, J.G.Wang, Q.C.Jiang, React1nPathway of Combust1n Synthesis of Ti5Si3in Cu-T1-Si System, Journal of theAmerican Ceramic Society 96(2013)950-956)。這兩種方法均需要使用高純度的娃單質(zhì)與鈦單質(zhì)作為原料。但鈦單質(zhì)和高純度的硅單質(zhì)的價(jià)格往往很高，這將會(huì)使得這一方法工業(yè)化應(yīng)用以及這一優(yōu)良材料的廣泛使用面臨成本企高的困難。另外近年報(bào)道了采用電化學(xué)還原的方法制造娃鈦金屬間化合物(H.Jiao, Q.Wang, J.Ge, H.Sun, S.Jiao, Electrochemical synthesis of Ti5Si3in CaCl2melt,Journal of Alloys andCompounds 582(2014) 146-150)。這一方法僅使用二氧化鈦與二氧化娃作為原料，這一舉措大幅降低了成本。但電化學(xué)還原方法會(huì)使用大量的氯化物或氟化物熔鹽為主要原料，從而具有一定的環(huán)境危害性。另外，電化學(xué)還原方法也是正在探索中的方法，其工業(yè)化應(yīng)用還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。另外，除了超高溫熔融法以外，其它方法由于其工藝特點(diǎn)，都難以制得致密塊狀硅鈦金屬間化合物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)以上問(wèn)題的提出，而研宄設(shè)計(jì)一種合成塊狀硅鈦金屬間化合物的方法。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下:
[0004]一種合成塊狀硅鈦金屬間化合物的方法，反應(yīng)物為硅合金與含有1102的多元渣系，所述硅合金中除硅以外的合金元素比硅更加不易與氧元素結(jié)合，以不與反應(yīng)物和產(chǎn)物反應(yīng)的惰性氣體為保護(hù)氣氛，包括以下步驟:
[0005]①將多元渣系的各組元混合均勻后，加熱至熔融狀態(tài)；
[0006]②向熔融狀態(tài)的多元渣系內(nèi)加入硅合金，在1400°C?1600°C的溫度下進(jìn)行反應(yīng)。
[0007]進(jìn)一步地，所述娃合金為冶金級(jí)娃原料、太陽(yáng)能及半導(dǎo)體工業(yè)娃廢料、娃錫合金、硅銅合金、硅鋅合金、硅鐵合金和硅錫銅合金中的一種或兩種以上的組合，所述冶金級(jí)硅原料的硅含量為90.0wt%?99.9wt%，所述太陽(yáng)能及半導(dǎo)體工業(yè)硅廢料包括硅和雜質(zhì)，雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10_4?_6或10_9?_n。
[0008]進(jìn)一步地，所述硅合金中硅的摩爾含量為65mol %以上，所述硅合金的密度小于所述多元渣系的密度。
[0009]進(jìn)一步地，所述惰性氣體為稀有氣體中的一種或兩種以上的組合，稀有氣體即為氦、氖、氬、氪和氙
[0010]進(jìn)一步地，所述多元渣系是以T12為主的融熔化合物多元熔體，包括三種組元及以上。
[0011]進(jìn)一步地，所述多元渣系所述多元渣系包括T12，還包括CaO、S12, Na2O, MgO、A1203、CaF2, CaCljP NaCl中的一種或兩種以上的組合。
[0012]進(jìn)一步地，所述多元澄系中1102的含量為17.6wt%? 84wt%。
[0013]進(jìn)一步地，所述多元澄系的密度為2.7g.cm_3?4.0g.cm_3。
[0014]進(jìn)一步地，在反應(yīng)溫度下，所述硅合金與多元渣系均為熔融狀態(tài)。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明所述的一種合成塊狀硅鈦金屬間化合物的方法具有以下有益效果:
[0016]1、本發(fā)明所用硅原料純度要求降低，放棄使用高純鈦金屬原料，極大降低了原料成本；
[0017]2、本發(fā)明在合成方法中采用液液反應(yīng)，相比固固反應(yīng)而言，反應(yīng)過(guò)程更加穩(wěn)定，反應(yīng)生成產(chǎn)物更易分離，原料內(nèi)部成分的擴(kuò)散更快；
[0018]3、本發(fā)明相對(duì)于【背景技術(shù)】，更易控制生成產(chǎn)物純度及品種；通過(guò)渣系成分設(shè)計(jì)、渣系與硅合金摩爾比和反應(yīng)溫度調(diào)整可以獲得不同純度的產(chǎn)物，以及不同品種的硅鈦金屬間化合物；
[0019]4、本發(fā)明相對(duì)于【背景技術(shù)】，更具有擴(kuò)展性；通過(guò)對(duì)渣系成份的設(shè)計(jì)，可以經(jīng)渣金反應(yīng)實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)物中摻雜微量有益元素；
[0020]5、本發(fā)明有益于對(duì)生產(chǎn)廢棄物資源化利用；本發(fā)明中含有T12的多元渣系可以利用如攀枝花、承德地區(qū)特有的“含鈦鐵礦石為原料的高爐生產(chǎn)”中的廢棄渣料，也有利于處理現(xiàn)在大量廢棄地?zé)掍撛?；本發(fā)明中硅合金原料可以利用各級(jí)別硅生產(chǎn)中的廢棄邊角料；[0021 ] 6、本發(fā)明對(duì)設(shè)備要求低，產(chǎn)量大，效率高，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明的反應(yīng)過(guò)程示意圖。
[0023]圖2是本發(fā)明的反應(yīng)吉布斯自由能-溫度圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]—種合成塊狀硅鈦金屬間化合物的方法，反應(yīng)物為硅合金與含有1102的多元渣系，以不與反應(yīng)物和產(chǎn)物反應(yīng)的惰性氣體為保護(hù)氣氛，反應(yīng)溫度為1400°C?1600°C，所述硅合金中除硅以外的合金元素比硅更加不易與氧元素結(jié)合，因此鋁、鎂、鈉等元素不能加入硅合金中。在硅合金與多元渣系反應(yīng)之前，將多元渣系的各組元混合均勻后，加熱到多元渣系的熔融溫度以上，使含有T12的多元渣系內(nèi)部成分均一化，待其熔融后加入硅合金，一般而言，在加入硅合金將渣料保持在熔融溫度以上5min至Ih均可達(dá)到渣系熔融均勻的要求。
[0025]所述娃合金為冶金級(jí)娃原料、太陽(yáng)能及半導(dǎo)體工業(yè)娃廢料、娃錫合金、娃銅合金、硅鋅合金、硅鐵合金和硅錫銅合金中的一種或兩種以上的組合；所述冶金級(jí)硅原料的硅含量為90.0wt%?99.9wt% ;所述太陽(yáng)能及半導(dǎo)體工業(yè)硅廢料是指在太陽(yáng)能及半導(dǎo)體工業(yè)加工過(guò)程中切除的邊角料及其它方式廢棄的硅原料，包括硅和雜質(zhì)，雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10_4?_6或10 _9?_n;所述惰性氣體為稀有氣體中的一種或兩種以上的組合，稀有氣體即為氦、氖、氬、氪和氙；保護(hù)氣氛中，由于高溫時(shí)氮?dú)庖着c硅及鈦元素發(fā)生副反應(yīng)，生成氮化物，所以不推薦使用，本實(shí)施例中使用的保護(hù)氣氛為氬氣。
[0026]根據(jù)渣相與合金相密度差衡算，合金中硅的摩爾含量推薦為65mol %以上，也可使用純硅，以保證生產(chǎn)過(guò)程中作為反應(yīng)物的硅合金能浮在渣相之上。反應(yīng)溫度下，所述硅合金的密度小于所述多元渣系的密度，推薦為2.7g ^nT3以下，這一密度可通過(guò)調(diào)整合金成份獲得，如20mol% Sn+80mol% Si，及純硅密度均在推薦值以下。
[0027]所述多元渣系是以T12為主的融熔化合物多元熔體，包括三種組元及以上。
[0028]所述多元渣系為T12-CaO-S12-Na2CK T12-CaO-S12-MgO-Al2O3> T12-Al2O3-CaF2,T12-CaO-CaCl2、T12