CN101486462B - 一种碳化钛微粉的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化钛微粉的制备方法，该方法将质量比为1～1.6∶1的钛粉和蔗糖进行混粉球磨、烘干后，在沸腾的油中碳化、再烘干去油、点燃产生自蔓延反应合成碳化钛。本发明主要是利用蔗糖包覆钛粉颗粒，再进行碳化生碳包覆钛粉颗粒，碳与钛之间的接触面积较大，钛粉颗粒与颗粒之间隔离着碳层，所以在自蔓延反应合成时，碳化钛粉体不易团聚、工艺过程简单，易控制。
Description
技术领域
本发明涉及有机和无机材料复合技术领域，尤其涉及一种碳化钛微粉的制备方法。
背景技术
碳化钛的熔点高、硬度高、化学稳定性好，主要用来制造金属陶瓷、耐热合金和硬质合金，同时他们具有优良的导电性，又是电极的优选材料。用碳化钛来制备的复相材料在机械加工、冶金矿山、航天领域、聚变堆等领域有着广泛的应用。合成TiC有多种方法，主要包括：
1、碳热还原法：工业用TiC粉体最初是用碳黑还原TiO2来制备的；
2、直接碳化法：利用Ti粉和炭粉反应生成TiC粉体，上述反应需5～20小时才能完成，且反应过程较难控制，反应物团聚严重，需进一步的磨粉加工才能制备出细颗粒TiC粉体；
3、化学气相沉积合成法：利用TiCl4，H2和C之间的反应，反应式如方程为TiCl4(g)+2H2(g)+C(s)＝TiC(g)+4HCl(g)，反应物与灼热的钨或炭单丝接触而进行反应，TiC晶体直接生长在单丝上，用这种方法合成的TiC粉体，其产量、有时甚至质量的提高受到限制，此外由于TiCl4和产物中的HCl有强烈的腐蚀性，对设备也要求苛刻；
4、高温自蔓延合成法：即SHS法，SHS法源于放热反应，当加热到适当的温度时，细颗粒的Ti粉有很高的反应活性，因此，一旦点燃后产生的燃烧波通过反应物Ti和C就会有足够的反应热使之生成TiC。SHS法反应极快，通常不到一秒钟，但SHS法需要高纯、微细的Ti粉作原料，而且产量有限；
5、反应球磨技术：制备纳米TiC粉体反应的球磨技术是利用金属或合金粉末在球磨过程中与其他单质或化合物之间的化学反应而制备出所需要材料的技术。在球磨过程中实现了固态反应，合成了纳米TiC。但合成产物纯度较低，提纯困难；
6、微波合成纳米TiC：利用微波能来对材料进行加热，其基本原理就是利用材料在高频电场中的介质损耗，将微波能转变成热能，以TiO2和炭黑为原料，利用碳热还原反应原理，用微波合成TiC粉体。但合成产物纯度较低，提纯困难；
7、利用TiS2和C来合成TiC：反应式为TiS2(s)+2C(s)＝TiC(s)+CS2(g)，反应要在高真空并加热至2000℃的条件下才能进行。
8、利用熔盐法制备碳化钛粉体：将炭材料放置于坩埚内，将一种或一种以上碱金属或碱土金属的氯化物、氟化物、硝酸盐、硫酸盐或Na2TiF6材料与金属钛不混合或混合后覆盖在坩埚的碳材料上，在氩气氛或隔绝空气的条件下，以0.1～30℃/分的升温速率加热坩埚至600℃～1300℃，保温0.1～200小时后冷却；再将熔盐坩埚在水中煮沸后，取出不溶的碳化钛，经水洗、干燥后即得。但合成产物纯度较低，提纯困难；
综上所述，在制备TiC的过程中，存在着或制备成本较高，或提纯困难，或转化温度较高，或产量、甚至质量的提高受到限制，或需要高纯、微细的Ti粉作原料，或碳化钛的形态难以控制等缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种原料成本低、干燥后可重复使用，碳化钛转化率高，转化温度较低以及碳化钛的形态可控制的碳化钛粉体制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下步骤和工艺条件：
第一步：将微米级的钛粉与蔗糖按照一定质量比称料；
第二步：将原料粉末按上述比例混合，加入球磨介质在球磨机上湿磨24～72小时，球料比为3∶1，球磨机转速为50～240rpm；
第三步：将球磨后的混合浆料在烘干箱中烘干，烘干温度为50℃～100℃；
第四步：将烘干后的块状物料放入沸腾的油中碳化，碳化时间10～40分钟，得到多孔块状碳化物料。
第五步：将碳化后得到的多孔块状固体进行破碎，在烘干箱中烘干去油，烘干温度为50℃～300℃；
第六步：将已去油的物料放入烧舟中，通过点火装置引燃自蔓延反应；
第七步：将自蔓延反应后的物料进行破碎，制备出所要求粒度的碳化钛粉末。
钛粉与蔗糖质量比为1～1.6∶1。
用于碳化的油的沸点为200℃～500℃，油选择大豆油、大豆色拉油、花生油、花生色拉油、菜籽油或柴油等。
在自蔓延反应时通入氩气作为保护气体。
所述的第五步骤中的烘干时间为0.5～36小时。
所述的第三步骤中的烘干时间为0.5～36小时。
所述的球磨介质为酒精。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.本发明在油中碳化，油是蔗糖碳化的载体，也是碳化过程中防止钛产生反应，可以直接生成无定形碳包围着钛粉颗粒，碳与钛之间的接触面积较大，有效促进反应。由于碳包围着钛粉颗粒，钛粉颗粒与钛粉颗粒之间隔离着碳层，所以在自蔓延反应合成时，碳化钛不易团聚。
2.本发明充分利用碳与钛之间的自蔓延反应，由于反应温度较高，反应充分，能够合成较为纯净的碳化钛。
3.本发明工艺过程简单，易控制，所得TiC粉体不易团聚，破碎容易。
4.本发明制备的粉末原料成本低、干燥后可重复使用，碳化钛转化率高，转化温度较低以及碳化钛的形态可控制。
具体实施方式
实施例一
第一步：将微米级的钛粉与蔗糖按照钛粉∶蔗糖比＝47∶43.2质量比称料；
第二步：将原料粉末按成分配比混合，然后在球磨机上湿磨24小时，球料比为3∶1，球磨机转速为240rpm，球磨介质是酒精；
第三步：将球磨后的混合浆料在烘干箱中烘干，烘干温度为50℃，烘干时间36小时；
第四步：将烘干好的块状物料放入沸腾的大豆色拉油中碳化，碳化时间10～40分钟，得到多孔块状碳化物料。
第五步：将碳化后得到的多孔块状固体进行破碎，在烘干箱中烘干去油，烘干温度为200℃，烘干时间24小时；
第六步：将已去油的物料放入烧舟中，通过点火装置引燃自蔓延反应合成碳化钛，通入氩气作为保护气体；
第七步：将自蔓延反应后的物料冷却进行破碎，制备出要求粒度的碳化钛粉末。
实施例二
第一步：将微米级的钛粉与蔗糖按照钛粉∶蔗糖比＝47∶39.2质量比称料；
第二步：将原料粉末按成分配比混合，然后在球磨机上湿磨60小时，球料比为3∶1，球磨机转速为120rpm，球磨介质是酒精；
第三步：将球磨后的混合浆料在烘干箱中烘干，烘干温度为90℃，烘干时间24小时；
第四步：将烘干好的块状物料放入沸腾的花生油中碳化，碳化时间10～40分钟，得到多孔块状碳化物料。
第五步：将碳化后得到的多孔块状固体进行破碎，在烘干箱中烘干去油，烘干温度为50℃，烘干时间36小时；
第六步：将已去油的物料放入烧舟中，通过点火装置引燃自蔓延反应合成碳化钛，通入氩气作为保护气体；
第七步：将自蔓延反应后的物料冷却进行破碎，制备出要求粒度的碳化钛粉末。
实施例三
第一步：将微米级的钛粉与蔗糖按照钛粉∶蔗糖比＝47∶36.4质量比称料；
第二步：将原料粉末按成分配比混合，然后在球磨机上湿磨48小时，球料比为3∶1，球磨机转速为180rpm，球磨介质是酒精；
第三步：将球磨后的混合浆料在烘干箱中烘干，烘干温度为70℃，烘干时间30小时；
第四步：将烘干好的块状物料放入沸腾的菜籽油中碳化，碳化时间10～40分钟，得到多孔块状碳化物料。
第五步：将碳化后得到的多孔块状固体进行破碎，在烘干箱中烘干去油，烘干温度为300℃，烘干时间0.5小时；
第六步：将已去油的物料放入烧舟中，通过点火装置引燃自蔓延反应合成碳化钛，通入氩气作为保护气体；
第七步：将自蔓延反应后的物料冷却进行破碎，制备出要求粒度的碳化钛粉末。
实施例四
第一步：将微米级的钛粉与蔗糖按照钛粉∶蔗糖比＝47∶31.2质量比称料；
第二步：将原料粉末按成分配比混合，然后在球磨机上湿磨72小时，球料比为3∶1，球磨机转速为50rpm，球磨介质是酒精；
第三步：将球磨后的混合浆料在烘干箱中烘干，烘干温度为100℃，烘干时间0.5小时；
第四步：将烘干好的块状物料放入沸腾的柴油中碳化，碳化时间10～40分钟，得到多孔块状碳化物料。
第五步：将碳化后得到的多孔块状固体进行破碎，在烘干箱中烘干去油，烘干温度为150℃， 烘干时间30小时；
第六步：将已去油的物料放入烧舟中，通过点火装置引燃自蔓延反应合成碳化钛，通入氩气作为保护气体；
第七步：将自蔓延反应后的物料冷却进行破碎，制备出要求粒度的碳化钛粉术。
前述实施例中的油还可以选择大豆油、花生色拉油等，沸点在200℃～500℃之间。
将上述四个实施例的碳化钛粉末，冷却至室温后出料并称量，以计算合成率，然后取一定量的TiC用X射线衍射法进行物相分析，用透射电镜进行粒度分析。
分析结果见下表：
| 合成率％ | 物相分析 | 晶粒大小(nm) | |
| 实施例一 | 100 | 产物全为TiC | 203 |
| 实施例二 | 100 | 产物全为TiC | 186 |
| 实施例三 | 100 | 产物全为TiC | 159 |
| 实施例四 | 100 | 产物全为TiC | 197 |
Claims (8)
1.一种碳化钛微粉的制备方法，其特征是包括以下步骤和工艺条件：
第一步：将微米级的钛粉与蔗糖按照一定质量比称料；
第二步：将原料粉末按上述比例混合，加入球磨介质在球磨机上湿磨24～72小时，球料比为3∶1，球磨机转速为50～240rpm；
第三步：将球磨后的混合浆料在烘干箱中烘干，烘干温度为50℃～100℃；
第四步：将烘干后的块状物料放入沸腾的油中碳化，碳化时间10～40分钟，得到多孔块状碳化物料；
第五步：将碳化后得到的多孔块状固体进行破碎，在烘干箱中烘干去油，烘干温度为50℃～300℃；
第六步：将已去油的物料放入烧舟中，通过点火装置引燃自蔓延反应；
第七步：将自蔓延反应后的物料进行破碎，制备出所要求粒度的碳化钛粉末。
2.根据权利要求1所述的碳化钛微粉的制备方法，其特征是钛粉与蔗糖质量比为1～1.6∶1。
3.根据权利要求1所述的碳化钛微粉的制备方法，其特征是用于碳化的油的沸点为200℃～500℃，油选择大豆油、花生油菜籽油或柴油。
4.根据权利要求1所述的碳化钛微粉的制备方法，其特征是用于碳化的油的沸点为200℃～500℃，油选择大豆色拉油、花生色拉油、菜籽油或柴油。
5.根据权利要求1所述的碳化钛微粉的制备方法，其特征是在自蔓延反应时通入氩气作为保护气体。
6.根据权利要求1所述的碳化钛微粉的制备方法，其特征是所述的第五步骤中的烘干时间为0.5～36小时。
7.根据权利要求1所述的碳化钛微粉的制备方法，其特征是所述的第三步骤中的烘干时间为0.5～36小时。
8.根据权利要求1所述的碳化钛微粉的制备方法，其特征是所述的球磨介质为酒精。
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