CN101927149A - 包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料及其制备方法,所述碳化钨-钨复合材料为碳化钨-钨包覆核壳结构,以碳化钨为壳,以钨为核;所述碳化钨-钨复合材料具有菱形十二面体的形貌特征,颗粒粒径为1~4μm。该复合材料制备简单,制备得到的菱形十二面体颗粒分布在4微米以下,热稳定性大大提高。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种碳化钨-钨材料及其制备方法,尤其涉及菱形十二面体结构的包覆型超细碳化钨-钨颗粒及其制备方法。
(二)背景技术
钨属于有色金属,也是重要的战略金属。钨具有熔点高,蒸汽压低等特点,从而使得它具备相对稳定化学性质,常温时不跟空气和水反应。钨以纯金属状态和合金状态广泛应用于现代技术中,合金系状态中最主要的是合金钢、以碳化钨为基的硬质合金、耐磨合金和强热合金。但在硬度、抗氧化性能上,钨仍然没有碳化钨出色。比如,在已有研究报道显示,制备双层或多层碳化钨-钨材料,有助于大幅度提高材料的防腐蚀能力。碳化钨是在硬质合金领域应用较广泛的材料,其硬度相当高,碳化钨和钨的复合认为是比较有效的增加整体硬度性能的方法。另外,碳化钨的引入还有助于提高耐酸性和热稳定性。而从目前的这些碳化钨-钨复合材料成果上来看,基本都采用了离子注入法制备多层碳化钨-钨材料。添加元素的价格和制备成本的昂贵,一直是有待解决的问题。且对于应用较广的具有较强立体结构的多层粉末材料上的使用,更加困难。
此外,表层化合物碳化钨,一直以来都被认为表面电子层与铂相类似,在某些反应中具有类铂的催化活性,所以也可作为一种性能优良的非贵金属催化材料,其催化方面的应用潜力更是备受关注。
因此,如果能用较为简便的方法制备高稳定性的包覆型碳化钨-钨超细复合粉末,将是一个非常有应用前景的研究方向。
偏钨酸铵作为碳化钨最为重要的前驱体,有着无污染、使用方便等优点,在作为钨源的应用已较为广泛。而喷雾干燥是以单一工序将溶液、乳液、悬浮液和浆状物料加工成粉状干燥制品的一种干燥方法。其特点是,液体原料可直接成为粉末化产品,可以连续化大量处理,无需粉碎工艺过程即可直接得到颗粒大小均匀、溶解性和分散性极优的制品。气固反应以喷雾干燥制备得到的固体前驱体为固定相,高温气氛为流动相对前驱产物进行碳化,并且在一定程序升温过程中逐步去除反应颗粒中的可挥发成分,从而降低颗粒间的碰撞机率,通过对反应体系中的湿度控制来增加晶面自组装能力,可以得到分散好、颗粒细的包覆型菱形十二面体碳化钨-钨材料。类似方法,尚未见文献和应用报道
(三)发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料及其制备方法,该复合材料制备简单,制备得到的菱形十二面体颗粒粒径分布在4微米以下,热稳定性大大提高。由于增加了碳化气体的湿度,所以在钨结晶过程中加大了钨原子的自组装速度,从而得到了菱形十二面体结构。特殊结构的产生,使得后期渗碳步骤中的渗碳速度放慢,从而有效控制了碳化钨、钨的比例,也就是控制了碳化钨层的厚度。从而无需复杂的工艺设备,即可以得到稳定的包覆型碳化钨-钨复合材料。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料,其特征在于所述碳化钨-钨复合材料为碳化钨-钨包覆核壳结构,以碳化钨为壳,以钨为核;所述碳化钨-钨复合材料具有菱形十二面体的形貌特征,颗粒粒径为1~4μm。
一种所述的包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料的制备方法,包括如下步骤:将偏钨酸铵溶于水,充分溶解,配制成偏钨酸铵浓度为2.5~50wt%的水溶液,将水溶液用超声波振荡10~60分钟;然后将该水溶液导入喷雾干燥器中进行喷雾干燥,得到球状偏钨酸铵前驱体;使混合气体CO/CO2、CH4/H2或者CO/H2通过20~60℃水浴后通入管式炉,在管式炉中,以含水的混合气体为还原碳化气氛,喷雾干燥得到的球状偏钨酸铵前驱体在还原碳化气氛下进行焙解、还原碳化反应,反应完毕在化学惰性气体的保护下冷却至室温,获得深灰色颗粒物即为所述包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合粉末。
进一步,优选配制偏钨酸铵浓度为5~30wt%的水溶液。
本发明使用的还原碳化气氛为含水的混合气体,在处理时是将混合气体CO/CO2、CH4/H2或CO/H2通入一个装有调温功能的水浴里,水浴控制温度控制在20~60℃,将鼓泡而出的含水气体通入管式炉。一般在通过还原碳化气体之前,先通入氮气去除管式反应炉中的空气,然后再通入还原碳化气体。优选控制水浴温度在25~50℃。
进一步,当以CO/CO2混合气体为还原碳化气氛时,所述的CO/CO2混合气体中CO和CO2的体积比优选为2~25∶1,更优选为5~12∶1,最优选为9∶1;混合气体流速优选为150~350ml/min。
进一步,当以CH4/H2混合气体为还原碳化气氛时,所述的CH4/H2混合气体中CH4和H2体积比优选为15~25∶1,更优选为18~22∶1,最优选为20∶1;混合气体流速优选为90~250ml/min。
进一步,当以CO/H2混合气体为还原碳化气氛时,所述的CO/H2混合气体中CO和H2的体积比优选为0.5~10∶1,更优选为2~8∶1,最优选为5∶1;混合气体流速优选为200~350ml/min。
进一步,本发明推荐所述的焙解、还原碳化反应具体如下:在管式炉中,按照2~10℃/min的速率程序升温至700~1100℃,使球状偏钨酸铵前驱体在还原碳化气氛下进行焙解、还原碳化反应,反应时间为8~15小时。
更进一步,本发明优选所述的焙解、还原碳化反应具体如下:在管式炉中,按照2~10℃/min的速率程序升温至800~1000℃,使球状偏钨酸铵前驱体在还原碳化气氛下进行焙解、还原碳化反应,反应时间为10~12小时。
本发明喷雾干燥的目的是将偏钨酸铵造粒、结构和形貌的控制。喷雾干燥后前驱体球状偏钨酸铵的形貌如图1所示,前驱体形貌为球状,部分球体破碎,揭示组成样品的球体颗粒为空心结构。
本发明所述的喷雾干燥的工艺条件优选如下:料液入口流速为20~40mL/min,空气的入口流速为10~15L/min,空气喷嘴的入口温度为180~210℃,尾气出口处温度为90~100℃。进一步优选喷雾干燥的工艺条件为:料液入口流速为30mL/min,空气的入口流速为10L/min,空气喷嘴的入口温度为180℃,尾气出口处温度为90~100℃。
本发明制得的碳化钨-钨复合材料可应用于硬质合金领域,化学催化以及电催化领域。无论是应用在哪个领域,复合材料的稳定性都是非常重要,热稳定范围的扩大有助于应用领域和应用范围的扩大。
本发明与现有技术相比,其有益效果体现在:
1、本发明所制备的碳化钨-钨复合材料颗粒粒径分布在1~4μm左右,颗粒较细,且具有包覆型核壳结构,以钨为核,碳化钨为壳,碳化钨的引入,极大的提高了颗粒在空气中的热稳定性能,使得复合材料应用领域扩大。
2、本发明利用喷雾干燥-气固反应制备菱形十二面体碳化钨-钨复合粉末,工艺简单,工艺控制简捷,具有大规模应用能力。
3、本发明首次在钨、碳化钨制备过程中,通过还原碳化气体的湿度控制来促进晶相形成时候的自组装排列。
4、由于钨菱形十二面体的形成,使得碳化过程不需要人为控制即会自动停止。从控制上来看方便、成本低,具有大规模生产必须具备的条件。
(四)附图说明
图1为各实施例前驱体制备步骤中喷雾干燥得到的前驱体微球的SEM形貌图。
图2为实施例1-实施例6得到的菱形十二面体碳化钨-钨复合粉末的SEM形貌图,其中图a~f依次对应实施例1~6。
图3为实施例8得到的球状碳化钨的SEM形貌图。
图4是实施例1得到的碳化钨-钨复合粉末和实施例9制得的普通W颗粒在空气气氛中的TG/DTA曲线(a),普通W颗粒SEM形貌图(b),菱形十二面体碳化钨-钨复合粉末的SEM形貌图(c)。
(五)具体实施方式:
以下具体实施例来说明本发明的技术方案,但本发明的保护范围不限于此:
实施例1
将偏钨酸铵溶于水,配制成15wt%的溶液,室温下用超声波振荡30分钟;用磁力搅拌器搅拌的同时将该溶液导入喷雾干燥仪中进行喷雾干燥,喷雾干燥条件为:料液入口流速为30mL/min,空气的入口流速为10L/min,空气喷嘴的入口温度为180℃,尾气出口处温度为90~100℃,得到球状偏钨酸铵颗粒前驱体;把干燥后的前驱体装入石英舟放置于管式炉中,将一氧化碳、二氧化碳混合气体经过50℃水浴后,通入管式炉进行还原碳化,按照2℃/min程序升温至900℃,一氧化碳和二氧化碳混合的体积比为9∶1,混合气体流速为300mL/min,还原碳化时间为12个小时。反应完毕后将产物随炉冷却至室温,得到粉末样品。将制得的碳化钨载体作扫描电镜分析,从图2-a可以看出样品的菱形十二面体结构,另外经过EDS和XRD分析可以确定碳化钨-钨包覆核壳结构,WC为壳,W为核。结晶较好,颗粒粒径主要分布在2.1μm左右。
实施例2
将偏钨酸铵溶于水,配制成15wt%的溶液,室温下用超声波振荡30分钟;用磁力搅拌器搅拌的同时将该溶液导入喷雾干燥仪中进行喷雾干燥,喷雾干燥条件为:料液入口流速为30mL/min,空气的入口流速为10L/min,空气喷嘴的入口温度为180℃,尾气出口处温度为90~100℃,得到球状偏钨酸铵颗粒前驱体;把干燥后的前驱体装入石英舟放置于管式炉中,将一氧化碳、二氧化碳混合气体经过20℃水浴后,通入管式炉进行还原碳化,按照4℃/min程序升温至800℃,一氧化碳和二氧化碳混合的体积比为3∶1,混合气体流速为300mL/min,还原碳化时间为9个小时。反应完毕后将产物随炉冷却至室温,得到粉末样品。将制得的碳化钨载体作扫描电镜分析,从图2-b可以看出样品的菱形十二面体结构,另外经过EDS和XRD分析可以确定碳化钨-钨包覆核壳结构,WC为壳,W为核。结晶较差,颗粒粒径主要分布在2.2μm左右。
实施例3
将偏钨酸铵溶于水,配制成15wt%的溶液,室温下用超声波振荡30分钟;用磁力搅拌器搅拌的同时将该溶液导入喷雾干燥仪中进行喷雾干燥,喷雾干燥条件为:料液入口流速为30mL/min,空气的入口流速为10L/min,空气喷嘴的入口温度为180℃,尾气出口处温度为90~100℃,得到球状偏钨酸铵颗粒前驱体;把干燥后的前驱体装入石英舟放置于管式炉中,将甲烷、氢气混合气体经过30℃水浴后,通入管式炉进行还原碳化,按照2℃/min程序升温至800℃,甲烷和氢气混合的体积比为18∶1,混合气体流速为220mL/min,还原碳化时间为10个小时。反应完毕后将产物随炉冷却至室温,从图2-c得到菱形十二面体碳化钨-钨粉末样品,另外经过EDS和XRD分析可以确定碳化钨-钨包覆核壳结构,WC为壳,W为核。结晶较差,颗粒粒径主要分布在2.4μm左右。
实施例4
将偏钨酸铵溶于水,配制成15wt%的溶液,室温下用超声波振荡30分钟;用磁力搅拌器搅拌的同时将该溶液导入喷雾干燥仪中进行喷雾干燥,喷雾干燥条件为:料液入口流速为30mL/min,空气的入口流速为10L/min,空气喷嘴的入口温度为180℃,尾气出口处温度为90~100℃,得到球状偏钨酸铵颗粒前驱体;把干燥后的前驱体装入石英舟放置于管式炉中,将甲烷、氢气混合气体经过50℃水浴后,通入管式炉进行还原碳化,按照5℃/min程序升温至900℃,甲烷和氢气混合的体积比为20∶1,混合气体流速为150mL/min,还原碳化时间为12个小时。反应完毕后将产物随炉冷却至室温,从图2-d得到菱形十二面体碳化钨-钨粉末样品,另外经过EDS和XRD分析可以确定碳化钨-钨包覆核壳结构,WC为壳,W为核。结晶较好,颗粒粒径主要分布在2.7μm左右。
实施例5
将偏钨酸铵溶于水,配制成15wt%的溶液,室温下用超声波振荡30分钟;用磁力搅拌器搅拌的同时将该溶液导入喷雾干燥仪中进行喷雾干燥,喷雾干燥条件为:料液入口流速为30mL/min,空气的入口流速为10L/min,空气喷嘴的入口温度为180℃,尾气出口处温度为90~100℃,得到球状偏钨酸铵颗粒前驱体;把干燥后的前驱体装入石英舟放置于管式炉中,将一氧化碳和氢气混合气体经过30℃水浴后,通入管式炉进行还原碳化,按照2℃/min程序升温至900℃,一氧化碳和氢气混合的体积比为5∶1,混合气体流速为310mL/min,还原碳化时间为10个小时。反应完毕后将产物随炉冷却至室温,得到菱形十二面体碳化钨-钨粉末样品,见图2-e,另外经过EDS和XRD分析可以确定碳化钨-钨包覆核壳结构,WC为壳,W为核。结晶较差,颗粒粒径主要分布在3.3μm左右。
实施例6
将偏钨酸铵溶于水,配制成15wt%的溶液,室温下用超声波振荡30分钟;用磁力搅拌器搅拌的同时将该溶液导入喷雾干燥仪中进行喷雾干燥,喷雾干燥条件为:料液入口流速为30mL/min,空气的入口流速为10L/min,空气喷嘴的入口温度为180℃,尾气出口处温度为90~100℃,得到球状偏钨酸铵颗粒前驱体;把干燥后的前驱体装入石英舟放置于管式炉中,将一氧化碳和氢气混合气体经过50℃水浴后,通入管式炉进行还原碳化,按照2℃/min程序升温至800℃,一氧化碳和氢气混合的体积比为5∶1,混合气体流速为310mL/min,还原碳化时间为10个小时。反应完毕后将产物随炉冷却至室温,得到菱形十二面体碳化钨-钨粉末样品,见图2-f,另外经过EDS和XRD分析可以确定碳化钨-钨包覆核壳结构,WC为壳,W为核。结晶较好,颗粒粒径主要分布在3.1μm左右。
实施例7:对比实施例1
将偏钨酸铵溶于水,配制成15wt%的溶液,室温下用超声波振荡30分钟;用磁力搅拌器搅拌的同时将该溶液导入喷雾干燥仪中进行喷雾干燥,喷雾干燥条件为:料液入口流速为30mL/min,空气的入口流速为10L/min,空气喷嘴的入口温度为180℃,尾气出口处温度为90~100℃,得到球状偏钨酸铵颗粒前驱体;把干燥后的前驱体装入石英舟放置于管式炉中,将氢气经过30℃水浴后,通入管式炉进行还原,按照2~10℃/min程序升温至900℃,氢气流速为200mL/min,还原时间为10个小时。反应完毕后将产物随炉冷却至室温,得到菱形十二面体W样品。
实施例8:对比实施例2
将偏钨酸铵溶于水,配制成15wt%的溶液,室温下用超声波振荡30分钟;用磁力搅拌器搅拌的同时将该溶液导入喷雾干燥仪中进行喷雾干燥,喷雾干燥条件为:料液入口流速为30mL/min,空气的入口流速为10L/min,空气喷嘴的入口温度为180℃,尾气出口处温度为90~100℃,得到球状偏钨酸铵颗粒前驱体;把干燥后的前驱体装入石英舟放置于管式炉中,以体积比9∶1的CO、CO2混合气为还原碳化气体,以一步法以4℃/min为程序升温速率在900℃温度下保持12个小时碳化得到碳化钨颗粒。反应完毕后将产物随炉冷却至室温。将样品进行SEM分析,从图3中可以看出,由于还原碳化步骤中使用了干燥气体,得到了球状结构,经过XRD分析为单相碳化钨,从形貌上看也并未生成菱形十二面体碳化钨-钨形成。
实施例9:对比实施例3
将偏钨酸铵溶于水,配制成15wt%的溶液,室温下用超声波振荡30分钟;用磁力搅拌器搅拌的同时将该溶液导入喷雾干燥仪中进行喷雾干燥,喷雾干燥条件为:料液入口流速为30mL/min,空气的入口流速为10L/min,空气喷嘴的入口温度为180℃,尾气出口处温度为90~100℃,得到球状偏钨酸铵颗粒前驱体;把干燥后的前驱体装入石英舟放置于管式炉中,以单一气体H2为还原气体,以一步法以4℃/min为程序升温速率在900℃温度下保持12个小时还原得到钨颗粒。反应完毕后将产物随炉冷却至室温。将样品进行SEM分析,从图4b中可以看出其形貌为不规则颗粒,经XRD测试成分结果显示,为单相钨结构。
图4a为本实施例9制备的不规则单相金属钨和实施例1制备的菱形十二面体碳化钨-钨的热重(TG-DTA)分析。从图中可以看出,在空气气氛中,W金属在400℃左右发生大范围氧化。而菱形十二面体碳化钨-钨得氧化温度却在590℃左右。其热稳定性提高了将近200℃。
Claims (10)
1.一种包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料,其特征在于所述碳化钨-钨复合材料为碳化钨-钨包覆核壳结构,以碳化钨为壳,以钨为核;所述复合材料具有菱形十二面体的形貌特征,颗粒粒径为1~4μm。
2.一种如权利要求1所述的包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料的制备方法,包括如下步骤:将偏钨酸铵溶于水,充分溶解,配制成偏钨酸铵浓度为2.5~50wt%的水溶液,将水溶液用超声波振荡10~60分钟;然后将该水溶液导入喷雾干燥器中进行喷雾干燥,得到球形偏钨酸铵前驱体;使混合气体CO/CO2、CH4/H2或者CO/H2通过20~60℃水浴后通入管式炉,在管式炉中,以含水的混合气体为还原碳化气氛,喷雾干燥得到的球形偏钨酸铵前驱体在还原碳化气氛下进行焙解、还原碳化反应,反应完毕在化学惰性气体的保护下冷却至室温,获得深灰色颗粒物即为所述包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合粉末。
3.如权利要求2所述的包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料的制备方法,其特征在于所述的CO/CO2混合气体中CO和CO2的体积比为2~25∶1,混合气体流速为150~350ml/min。
4.如权利要求3所述的包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料的制备方法,其特征在于所述的CO/CO2混合气体中CO和CO2的体积比为5~12∶1。
5.如权利要求2所述的包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料的制备方法,其特征在于所述的CH4/H2混合气体中CH4和H2体积比为15~25∶1混合气体流速为90~250ml/min。
6.如权利要求5所述的包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料的制备方法,其特征在于所述的CH4/H2混合气体中CH4和H2体积比为18~22∶1。
7.如权利要求2所述的包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料的制备方法,其特征在于所述的CO/H2中CO和H2的体积比为0.5~10∶1,混合气体流速为200~350ml/min。
8.如权利要求7所述的包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料的制备方法,其特征在于所述的CO/H2中CO和H2的体积比为2~8∶1。
9.如权利要求2~8之一所述的包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料的制备方法,其特征在于所述的焙解、还原碳化反应具体如下:在管式炉中,按照2~10℃/min的速率程序升温至700~1100℃,使球形偏钨酸铵前驱体在还原碳化气氛下进行焙解、还原碳化反应,反应时间为8~15小时。
10.如权利要求2~8之一所述的包覆型菱形十二面体碳化钨-钨复合材料的制备方法,其特征在于所述的喷雾干燥的工艺条件为:料液入口流速为20~40mL/min,空气的入口流速为10~15L/min,空气喷嘴的入口温度为180~210℃,尾气出口处温度为90~100℃。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20101229 |