一種TiC/C復(fù)合材料的合成方法
【專利說(shuō)明】
(一)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種TiC/C復(fù)合材料的合成方法。
(二)
【背景技術(shù)】
[0002]TiC作為一種過(guò)渡金屬碳化物具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、較高的硬度以及優(yōu)異的抗氧化和耐酸堿腐蝕性能，同時(shí)具有較高的電導(dǎo)率，被廣泛用于磨具，切削工具以及電催化和儲(chǔ)能等領(lǐng)域。
[0003]迄今，TiC的合成方法有很多，碳熱還原法、化學(xué)氣相沉積等。碳熱還原法，以T12為鈦源，以石墨、活性炭、聚合物等為碳源，在高溫條件下通入保護(hù)氣，1102被(:還原生成TiC。陶等人用天然植物纖維吸附鈦粉高溫合成碳化鈦納米線(一種利用植物纖維合成碳化鈦納米線的方法，中國(guó)專利CN201010109224.8)?；瘜W(xué)氣相沉積，利用含鈦的烷類物質(zhì)或者含鈦的鹵化物，如異丙醇鈦、鈦酸四丁酯、四氯化鈦以及四氟化鈦等，甲烷、乙炔等作為碳源，高溫保護(hù)氣氛下在基底材料上合成TiC。盡管目前TiC的合成已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但是合成方法過(guò)于繁瑣，成本較高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。
(三)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種低成本、適于工業(yè)化生產(chǎn)的合成組成和結(jié)構(gòu)可控的TiC/C復(fù)合材料的方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種TiC/C復(fù)合材料的合成方法，包括:
[0007](I)按鈦元素和碳元素摩爾比為1: (I?4)，分別稱取適量的鈦源和碳材料，并將兩者混合，備用；
[0008](2)將步驟(I)中獲得的混合物和磨球裝入高壓球磨罐中，待高壓球磨罐抽真空后，將CO2栗入高壓球磨罐，使高壓球磨罐內(nèi)部壓力到達(dá)80?150bar，在溫度35?70°C，球磨轉(zhuǎn)速為100?500r/min，反應(yīng)2?24h;球磨反應(yīng)結(jié)束后，將高壓球磨罐內(nèi)的CO2排空，冷卻至室溫，將粉體從球磨罐中取出；
[0009](3)在氬氣氣氛保護(hù)下，步驟(2)的粉體于1100?1450°C保溫2?8h，自然冷卻到室溫，即得到TiC/C復(fù)合材料。
[0010]步驟(I)中，所述的碳材料為純度不低于90%的碳材料，如石墨粉、活性炭、碳纖維、碳納米管、有機(jī)樹脂碳、碳黑等。
[0011]步驟(I)中，所述的鈦源為純度不低于90%的含鈦化合物，如異丙醇鈦、鈦酸四丁酯、四氯化鈦、四氟化鈦等。
[0012]步驟(I)中，鈦元素和碳元素的摩爾比優(yōu)選為1:(I?3)。
[0013]步驟(2)中，混合物和磨球的質(zhì)量比優(yōu)選為1:(10?40)。
[0014]步驟(2)中，高壓球磨罐中的反應(yīng)條件優(yōu)選為:壓力為80?120bar，溫度為35?500C，球磨轉(zhuǎn)速為200?400r/min，反應(yīng)時(shí)間為4?20h。
[0015]步驟(3)中，控制溫度優(yōu)選為1200?1400°C，保溫優(yōu)選為2?8h。
[0016]本發(fā)明優(yōu)選所述合成方法由步驟(I)?(3)組成。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以超臨界CO2流體為溶劑，以常見碳材料和鈦源為原料，通過(guò)超臨界作用使碳與鈦在實(shí)現(xiàn)在分子級(jí)別均勻混合，再結(jié)合高溫固相反應(yīng)法，合成TiC/C復(fù)合材料，其有益效果在于:
[0018]I)本發(fā)明以超臨界CO2作為溶劑，實(shí)現(xiàn)鈦源與碳材料在分子級(jí)別高效混合，從而確保制得的TiC/C復(fù)合材料具有批次性好，雜相少，純度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0019]2)本發(fā)明制得的TiC/C復(fù)合材料，其組成和結(jié)構(gòu)可控，所謂結(jié)構(gòu)可控是指復(fù)合材料可高效遺傳碳材料的形貌。
(四)
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明實(shí)例I前驅(qū)體碳源碳納米管的SEM照片。
[0021 ]圖2是本發(fā)明實(shí)例I所得產(chǎn)物TiC/C的SEM照片。
[0022]圖3是本發(fā)明實(shí)例I所得產(chǎn)物TiC/C的XRD照片。
(五)
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面以具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。
[0024]實(shí)施例1
[0025]取0.6g碳納米管和10.5ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%鈦酸四丁酯，加入到高壓球磨罐。然后按物料和磨球質(zhì)量比1:20添加磨球。待高壓球磨罐抽真空后，將CO2栗入高壓球磨罐，使高壓球磨罐內(nèi)部壓力到達(dá)10bar。在35 °C條件下，以350r/min轉(zhuǎn)速連續(xù)反應(yīng)12h，球磨反應(yīng)結(jié)束后，將高壓球磨罐內(nèi)的CO2排空，冷卻至室溫，將粉體從球磨罐中取出。將反應(yīng)后的材料置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下以5°C/min的升溫速率升至1300°C進(jìn)行高溫反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間4h，自然冷卻到室溫、即得到TiC/C復(fù)合材料。從圖1和圖2可見，反應(yīng)前后材料的形貌未發(fā)生明顯改變，所得產(chǎn)物TiC/C復(fù)合材料(圖2)較好地遺傳了碳納米管(圖1)的形貌。由XRD圖譜(圖
3)進(jìn)一步可知，TiC/C復(fù)合材料的相組成為TiC和C，達(dá)到預(yù)期效果。
[0026]實(shí)施例2
[0027]取0.Sg活性炭和8.5ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%異丙醇鈦，加入到高壓球磨罐。然后按物料和磨球質(zhì)量比1:10添加磨球。待高壓球磨罐抽真空后，將CO2栗入高壓球磨罐，使高壓球磨罐內(nèi)部壓力到達(dá)80bar。在40°C條件下，以250r/min轉(zhuǎn)速連續(xù)反應(yīng)8h，球磨反應(yīng)結(jié)束后，將高壓球磨罐內(nèi)的CO2排空，冷卻至室溫，將粉體從球磨罐中取出。將反應(yīng)后的材料在氬氣保護(hù)下以5°C/min的升溫速率升至1200°C進(jìn)行高溫反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間2h，自然冷卻到室溫、即得到TiC/C復(fù)合材料。
[0028]實(shí)施例3
[0029]取0.4g乙炔黑和3ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%四氯化鈦，加入到高壓球磨罐。然后按物料和磨球質(zhì)量比1:30添加磨球。待高壓球磨罐抽真空后，將CO2栗入高壓球磨罐，使高壓球磨罐內(nèi)部壓力到達(dá)120bar。在50 °C條件下，以300r/min轉(zhuǎn)速連續(xù)反應(yīng)18h，球磨反應(yīng)結(jié)束后，將高壓球磨罐內(nèi)的CO2排空，冷卻至室溫，將粉體從球磨罐中取出。將反應(yīng)后的材料在氬氣保護(hù)下以5°C/min的升溫速率升至1400°C進(jìn)行高溫反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間6h，自然冷卻到室溫、即得到TiC/C復(fù)合材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種TiC/C復(fù)合材料的合成方法，包括: (1)按鈦元素和碳元素摩爾比為1:(I?4)，分別稱取適量的鈦源和碳材料，并將兩者混合，備用； (2)將步驟(I)中獲得的混合物和磨球裝入高壓球磨罐中，待高壓球磨罐抽真空后，將CO2栗入高壓球磨罐，使高壓球磨罐內(nèi)部壓力到達(dá)80?150bar，在溫度35?70°C，球磨轉(zhuǎn)速為100?500r/min，反應(yīng)2?24h;球磨反應(yīng)結(jié)束后，將高壓球磨罐內(nèi)的CO2排空，冷卻至室溫，將粉體從球磨罐中取出； (3)在氬氣氣氛保護(hù)下，步驟(2)得到的粉體于1100?1450°C保溫2?8h，自然冷卻到室溫，即得到TiC/C復(fù)合材料。2.如權(quán)利要求1所述的TiC/C復(fù)合材料的合成方法，其特征在于:步驟(I)中，所述的碳材料為純度不低于90%的碳材料，選自石墨粉、活性炭、碳纖維、碳納米管、有機(jī)樹脂碳、碳黑中的一種或幾種的組合。3.如權(quán)利要求1或2所述的TiC/C復(fù)合材料的合成方法，其特征在于:步驟(I)中，所述的鈦源為純度不低于90%的含鈦化合物，選自異丙醇鈦、鈦酸四丁酯、四氯化鈦、四氟化鈦中的一種或幾種的組合。4.如權(quán)利要求1所述的TiC/C復(fù)合材料的合成方法，其特征在于:步驟(I)中，鈦元素和碳元素的摩爾比為1:(1?3)。5.如權(quán)利要求1所述的TiC/C復(fù)合材料的合成方法，其特征在于:步驟(2)中，混合物和磨球的質(zhì)量比為1: (10?40)。6.如權(quán)利要求1所述的TiC/C復(fù)合材料的合成方法，其特征在于:步驟(2)中，高壓球磨罐中的反應(yīng)條件為:壓力為80?120bar，溫度為35?50°C，球磨轉(zhuǎn)速為200?400r/min，反應(yīng)時(shí)間為4?20h。7.如權(quán)利要求1所述的TiC/C復(fù)合材料的合成方法，其特征在于:步驟(3)中，控制溫度為1200?1400°C保溫2?8h。8.如權(quán)利要求1所述的TiC/C復(fù)合材料的合成方法，其特征在于:所述合成方法由步驟(I)?(3)組成。
【專利摘要】一種TiC/C復(fù)合材料的合成方法，包括：(1)按鈦元素和碳元素摩爾比為1：(1～4)，分別稱取適量的鈦源和碳材料，并將兩者混合，備用；(2)將步驟(1)中獲得的混合物和磨球裝入高壓球磨罐中，待高壓球磨罐抽真空后，將CO2泵入高壓球磨罐，使高壓球磨罐內(nèi)部壓力到達(dá)80～150bar，在溫度35～70℃，球磨轉(zhuǎn)速為100～500r/min，反應(yīng)2～24h；球磨反應(yīng)結(jié)束后，將高壓球磨罐內(nèi)的CO2排空，冷卻至室溫，將粉體從球磨罐中取出；(3)在氬氣氣體保護(hù)下，步驟(2)得到的粉體于1100～1450℃保溫2～8h，自然冷卻到室溫，即得到TiC/C復(fù)合材料。本發(fā)明具有低成本、適于工業(yè)化生產(chǎn)、復(fù)合材料組成和結(jié)構(gòu)可控的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】C04B35/56, C04B35/626
【公開號(hào)】CN105622101
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610220081
【發(fā)明人】黃輝, 劉俊杰, 方如意, 夏陽(yáng), 張文魁, 梁初, 張俊, 陶新永, 甘永平
【申請(qǐng)人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日