專(zhuān)利名稱(chēng)：納米碳氮化鈦粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種納米碳氮化鈦粉體的制備方法，屬于制備納米陶瓷技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳氮化鈦(Ti(C，N))具有高的熔點(diǎn)、硬度、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率、耐磨性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可以用來(lái)制造耐磨部件、切削刀具、電極和涂層，是一種用途廣泛的新材料。碳氮化鈦中C、N原子比不同，其晶格常數(shù)亦不同，隨C/(C+N)值的增加，晶格常數(shù)增大。不同晶格常數(shù)的碳氮化鈦，性能略有不同。
生產(chǎn)碳氮化鈦的傳統(tǒng)方法主要有(1)化學(xué)還原法，用碳、氮或氨直接化學(xué)還原二氧化鈦、四氯化鈦或氫化鈦；(2)固態(tài)擴(kuò)散法，在高溫下(1000～1500℃)，通過(guò)碳和氮同時(shí)向鈦粉固態(tài)擴(kuò)散，或通過(guò)TiC和TiN的混合物相互擴(kuò)散獲得。采用這些方法生產(chǎn)的碳氮化鈦顆粒尺寸都比較大，尺寸在微米級(jí)以上。
由于納米碳氮化鈦粉體具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，而引起人們的重視，發(fā)展了一些制備納米級(jí)碳氮化鈦新方法。如用鈉作還原劑通過(guò)TiCl4和C3N3Cl3在600℃直接反應(yīng)合成制備納米碳氮化鈦，方法如下將分析純的C3N3Cl3(1g)，過(guò)量的TiCl4(5ml)和鈉(4g)放入30ml容量的高壓不銹鋼罐，所有操作均在氮?dú)饬鞯氖痔紫渲羞M(jìn)行。高壓罐密封后在600℃保溫10h，然后在爐內(nèi)自然冷卻到室溫。將搜集到的產(chǎn)物分別采用無(wú)水酒精、蒸餾水和稀酸清洗多次去掉雜質(zhì)，最后在70℃真空中干燥3小時(shí)[Guozhen Shen，et al.A simple route to preparenanocrystalline titanium carbinitride.Materials Research Bulletin 37(2002)1207-1211]。另一種制備納米碳氮化鈦超細(xì)粉的方法是TiO(OH)2溶膠和活性碳混合后首先在去離子水中水解，在60℃凝膠化，然后將凝膠在120℃干燥至恒重，獲得的TiO2粉，再將獲得的TiO2粉末放入石墨坩堝，在1400～1600℃氮?dú)饬髦泻铣蒚iC1-xNx粉[Junhui Xiang，et al.Synthesis of Ti(C，N)ultralfine powders by carbothermal reduction of TiO2 derived from sol-gel process.Journal of theEuropean Ceramic Society.20(2000)933-938]。再如中國(guó)專(zhuān)利公報(bào)2003年9月24日公開(kāi)的申請(qǐng)?zhí)枮?2125986.0的發(fā)明專(zhuān)利等離子化學(xué)氣相合成法制備碳氮化鈦陶瓷粉體的工藝，專(zhuān)利權(quán)人白萬(wàn)杰，其技術(shù)方案為利用直流電弧等離子體為熱源，流經(jīng)電弧的氣體N2-H2-Ar加熱至高溫4800～5200℃與同時(shí)經(jīng)蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)的液化氣、TiCl4和NH3氣體共同進(jìn)入等離子體反應(yīng)器快速發(fā)生分解和碳氮化鈦的合成反應(yīng)，反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)溫度保持在1200～1300℃時(shí)，生成的碳氮化鈦經(jīng)極短的時(shí)間(毫秒級(jí))的結(jié)晶、長(zhǎng)大、冷卻，然后經(jīng)氣固分離得到納米碳氮化鈦粉體。這些制備納米碳氮化鈦粉體的方法，工藝復(fù)雜、煩瑣，生產(chǎn)率低，成本高，應(yīng)用受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)率高的納米碳氮化鈦粉體的制備方法，其技術(shù)方案為一種納米碳氮化鈦粉體的制備方法，其特征在于通過(guò)球磨罐內(nèi)的鈦粉、碳粉和含氮?dú)怏w在球磨過(guò)程中的同時(shí)反應(yīng)，一步合成制備納米碳氮化鈦粉體。
所述的納米碳氮化鈦粉體的制備方法，球磨罐內(nèi)鈦粉和碳粉按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)的配比為鈦粉組份占85％～97.5％，碳粉組份占2.5％～15％，球磨罐內(nèi)含氮?dú)怏w的壓力保持在0.1MPa～10MPa，氮元素含量按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鈦粉和碳粉總量的0.4％～40％。
所述的納米碳氮化鈦粉體的制備方法，碳粉是石墨粉、碳黑、活性碳粉或其它碳質(zhì)材料。
所述的納米碳氮化鈦粉體的制備方法，含氮?dú)怏w是指氮?dú)?、氨氣或氮?dú)?、氨氣與惰性氣體的混合氣體，混合氣體中的氮?dú)饣虬睔獾姆謮捍笥?.1MPa。
制備過(guò)程為常溫下將鈦粉、碳粉一定比例放入球磨罐中密封，再給罐內(nèi)充入含氮?dú)怏w，使球磨前罐內(nèi)含氮?dú)怏w的壓力保持在0.1MPa～10MPa，連續(xù)球磨一段時(shí)間(約50min～120min)后，鈦粉、碳粉和含氮?dú)怏w中的氮同時(shí)發(fā)生反應(yīng)合成納米碳氮化鈦粉體。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的制備納米碳氮化鈦粉體的方法由鈦粉、碳粉和含氮?dú)怏w在球磨過(guò)程中同時(shí)發(fā)生反應(yīng)一步合成，常溫下進(jìn)行，無(wú)需加熱，工藝簡(jiǎn)單，易于控制，生產(chǎn)率高；通過(guò)調(diào)整固體原料中鈦粉和碳粉的比例和含氮?dú)怏w的壓力還可以改變碳氮化鈦中碳原子和氮原子的比例，獲得不同晶格常數(shù)的納米碳氮化鈦粉體。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將粒徑約為1μm的鈦粉8g和粒徑約為250μm的石墨粉1.5g放入一容積為100ml的不銹鋼球磨罐中。罐中充純氮?dú)猓蚰ラ_(kāi)始時(shí)氮?dú)鈮毫?.40MPa。球磨120min時(shí)，鈦粉、石墨粉和氮?dú)馔瑫r(shí)反應(yīng)得到碳氮化鈦，繼續(xù)球磨140min后，碳氮化鈦的晶粒尺寸為30nm。碳氮化鈦中碳、氮原子比約為45∶1，碳氮化鈦的晶體常數(shù)為0.4311nm。
實(shí)施例2將粒徑約為1μm的鈦粉8g和粒徑約為250μm的碳黑1.0g放入一容積為100ml的不銹鋼球磨罐中。罐中充純氮?dú)猓蚰ラ_(kāi)始時(shí)氮?dú)鈮毫?.60MPa。球磨85min時(shí)，鈦粉、碳黑和氮?dú)馔瑫r(shí)反應(yīng)得到碳氮化鈦。繼續(xù)球磨110min后，碳氮化鈦的晶粒尺寸為20nm。碳氮化鈦中碳、氮原子比約為1.9∶1，碳氮化鈦的晶體常數(shù)為0.4295nm。
實(shí)施例3將粒徑約為1μm的鈦粉8g和粒徑約為250μm的碳黑0.5g放入一容積為100ml的不銹鋼球磨罐中。罐中充純氨氣，球磨開(kāi)始時(shí)氨氣壓力為0.60MPa。球磨94min后，鈦粉、碳黑和氮?dú)馔瑫r(shí)反應(yīng)得到碳氮化鈦。繼續(xù)球磨至120min后，碳氮化鈦的晶粒尺寸為14nm，碳、氮原子比約為0.7∶1，碳氮化鈦的晶體常數(shù)為0.4260nm。
權(quán)利要求
1.一種納米碳氮化鈦粉體的制備方法，其特征在于通過(guò)球磨罐內(nèi)的鈦粉、碳粉和含氮?dú)怏w在球磨過(guò)程中的同時(shí)反應(yīng)，一步合成制備納米碳氮化鈦粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳氮化鈦粉體的制備方法，其特征在于球磨罐內(nèi)鈦粉和碳粉按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)的配比為鈦粉組份占85％～97.5％，碳粉組份占2.5％～15％，球磨罐內(nèi)含氮?dú)怏w的壓力保持在0.1MPa～10MPa，氮元素含量按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為鈦粉和碳粉總量的0.4％～40％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳氮化鈦粉體的制備方法，其特征在于碳粉是石墨粉、碳黑、活性碳粉或其它碳質(zhì)材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳氮化鈦粉體的制備方法，其特征在于含氮?dú)怏w是指氮?dú)?、氨氣或氮?dú)?、氨氣與惰性氣體的混合氣體，混合氣體中的氮?dú)饣虬睔獾姆謮捍笥?.1MPa。
全文摘要
本發(fā)明提供一種納米碳氮化鈦粉體的制備方法，其特征在于通過(guò)球磨罐內(nèi)的鈦粉、碳粉和含氮?dú)怏w在球磨過(guò)程中的同時(shí)反應(yīng)，一步合成制備納米碳氮化鈦粉體。本發(fā)明工藝常溫下進(jìn)行，無(wú)需加熱，工藝簡(jiǎn)單，易于控制，生產(chǎn)率高；并且通過(guò)調(diào)整固體原料中鈦粉和碳粉的比例和含氮?dú)怏w的壓力還可以改變碳氮化鈦中碳原子利氮原子的比例，獲得不同品格常數(shù)的納米碳氮化鈦粉體。
文檔編號(hào)C01B21/00GK1803587SQ20051004236
公開(kāi)日2006年7月19日 申請(qǐng)日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者殷鳳仕 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)