CN103253668A - 一种碳化钛陶瓷粉末的低温固相合成方法 - Google Patents

Abstract

一种碳化钛陶瓷粉末的低温固相合成方法，属于新型陶瓷粉末材料制备技术领域。该方法是在化学计量比为1∶1～1∶1.1的微米级钛粉和石墨粉中加入少量聚四氟乙烯粉作为化学反应促进剂，室温下混合均匀并冷压成坯后，加热至530℃，经低温固相合成反应形成碳化钛陶瓷疏松块体，破碎后获得碳化钛陶瓷粉末。本发明以微米级钛粉和石墨粉为原料，聚四氟乙烯粉作为化学反应促进剂，在低温下固相合成碳化钛陶瓷粉末，与传统固相合成工艺相比，降低合成温度800～1600℃，工艺简单、节能环保，成本低，产率和纯度高，产业化前景大。

Description

一种碳化钛陶瓷粉末的低温固相合成方法

技术领域

本发明一种碳化钛陶瓷粉末的低温固相合成方法，属于新型陶瓷粉末材料制备技术领域。

背景技术

碳化钛为面心立方体结构的间隙化合物，具有高的熔点、硬度、弹性模量和化学稳定性，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，是电极的优选材料。用碳化钛制备的复相材料在机械加工、冶金矿山、航天领域、聚变堆等领域也有着广泛的应用。

碳化钛陶瓷粉末的制备方法主要有以下几种：

1.碳热还原法：传统碳热还原法利用炭黑在1700～2100℃还原二氧化钛10～24h，反应时间较长，反应中受扩散梯度影响使合成的粉体纯度较低。目前也有学者采用树脂碳、钛铁矿、丙烯等作为原料制备碳化钛粉末，但其都需要经过前期处理并在1300～1700℃的高温下进行保温1～10h，反应时间长，排放大量的碳氧化物，能耗高，装置复杂。

2.直接碳化法：主要有球磨法和自蔓延高温合成法两种。球磨法所需时间较长，产物纯度较低，提纯困难；自蔓延高温合成法可在极短时间完成，一旦点燃产生的燃烧波通过反应物钛和碳生成碳化钛，该法需要高纯、超细的钛粉作原料，价格昂贵。

3.微波合成法：通常以二氧化钛和炭黑为原料，利用碳热还原反应原理，用微波在1300℃下合成碳化钛粉体，该技术目前还局限于实验室，离工业化尚有一定距离。

4.化学气相沉积合成法：主要为气氛保护或真空下的气-气反应过程，反应温度通常在750～1400℃，经保温1～2h获得高纯度的碳化钛粉末，其设备复杂、昂贵，产量受到限制，目前还处于实验阶段。

综上所述，目前碳热还原法因成本低、可大量生产而得到广泛应用，但其反应时间长、纯度低，碳氧化物排量大，碳化钛粉体的制备技术都存在一定的不足：如原料价格高、工艺过程复杂、不易控制、产量低和碳氧化物排量大等，极大的限制了碳化钛粉体的产业化生产。本发明采用少量的聚四氟乙烯作为钛和石墨粉的化学反应促进剂，使碳化钛的固相合成温度降低至530℃，工艺简单、低碳环保，成本低，产率和纯度高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种合成温度低、工艺简单、低碳环保、成本低，产率和纯度高，产业化前景大的碳化钛粉体固相制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：1、将化学计量比为1:1～1:1.1的微米级钛粉和微米级石墨粉混合；2、向上述混合物中加入聚四氟乙烯粉作为化学反应促进剂，其中聚四氟乙烯为钛粉和石墨粉混合粉体质量的2～5%；3、混合均匀后冷压成坯；4、在惰性气氛保护下加热坯料至530℃以上引发固相合成反应形成碳化钛陶瓷疏松块体；5、使碳化钛陶瓷疏松块体破碎，获得碳化钛陶瓷粉末。

本发明主要是利用了钛与聚四氟乙烯可以在较低温度发生强放热反应，进而引发钛与石墨粉的放热反应。化学反应式如下：

Ti+(-CF₂CF₂-)_n→TiF₃+C+Q                     (1)

Ti+C→TiC+Q                                 (2)

由反应式(1)可知，若制备碳化钛粉末的过程中只产生少量的三氟化钛，其会在放热反应所产生的高温下挥发掉，从而获得高纯度的碳化钛粉末。但若添加过多的聚四氟乙烯作为反应促进剂，会使反应过度剧烈，导致钛与石墨颗粒界面接触不良，碳化钛转化率低，同时生成过多的三氟化钛不能够完全挥发而残留于碳化钛粉末中；若添加量过少，则钛与聚四氟乙烯反应所释放的热量不足以引发钛与石墨粉的固相合成反应。因此，只有添加适量的聚四氟乙烯作为反应促进剂，才能在低温下固相合成高纯度的碳化钛粉末。通过热分析测试与对合成产物的物相分析，得到反应促进剂聚四氟乙烯最适宜添加量为钛粉和石墨粉混合粉体质量的2～5%。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.通过向微米级钛和石墨混合粉体中添加少量本发明的聚四氟乙烯粉作为化学反应促进剂，可使固相合成温度降低至530℃，与传统工艺相比，固相合成反应温度降低了800～1600℃；

2.本发明所采用的原料粒度为微米级，成本低；

3.本发明工艺简单、产率和纯度高，其产业化前景大。

附图说明

图1未添加(a)与添加(b)本发明化学反应促进剂的钛-碳固相合成反应DTA曲线对比；

图2未添加(a)与添加(b)本发明化学反应促进剂的钛-碳固相合成反应产物XRD曲线对比。

具体实施方式

实例1：

按化学计量比1:1称取微米级的钛粉和石墨粉，同时称取二者总质量3%的微米级聚四氟乙烯粉作为化学反应促进剂，混合均匀后冷压成圆柱坯；取样经DTA实测，发现化学放热反应剧烈，峰值温度为524℃（如图1（b））；为此，在保护气氛下将压制坯加热到530℃进行固相合成反应，并将合成产物破碎，经XRD物相分析验证，产物为碳化钛陶瓷粉末（如图2（b））。

采用不添加聚四氟乙烯反应促进剂的化学计量比1:1的钛和石墨混合粉料，冷压成圆柱坯；取样经DTA实测，发现化学放热反应缓慢，峰值在1045℃（如图1（a））；为此，在保护气氛下将压制坯加热至1500℃保温5h，并将合成产物破碎，经XRD物相分析验证，产物为碳化钛陶瓷粉末（如图2（a））。

实例2：

制备过程与实例1相同，微米级的钛粉和石墨粉摩尔配比为1:1.1，作为化学反应促进剂的聚四氟乙烯粉用量改为钛粉和石墨粉二者总质量的2%；取样经DTA实测，化学放热反应速率快，峰值温度为525℃；为此，在保护气氛下将压制坯加热到530℃进行固相合成反应，并将合成产物破碎，经XRD物相分析验证，产物为碳化钛陶瓷粉末。

实例3：

制备过程与实例1相同，只是将作为化学反应促进剂的聚四氟乙烯粉用量改为钛粉和石墨粉二者总质量的5%；取样经DTA实测，化学放热反应速率快，峰值温度为519℃；为此，在保护气氛下将压制坯加热到530℃进行固相合成反应，并将合成产物破碎，经XRD物相分析验证，产物为碳化钛陶瓷粉末。

实例4：

制备过程与实例1相同，只是将作为化学反应促进剂的聚四氟乙烯粉用量改为钛粉和石墨粉二者总质量的6%；取样经DTA实测，化学放热反应速率快，峰值温度为519℃；为此，在保护气氛下将压制坯加热到530℃进行固相合成反应，并将合成产物破碎，经XRD物相分析验证，产物不纯，产物中出现三氟化钛副产物。

上述列举了本发明的四个实施方式，但本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求书指出了本发明的范围。因此，在不违背本发明基本思想的情况下，在制备碳化钛的过程中，只要采用了聚四氟乙烯作为化学反应促进剂，都应认为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种碳化钛陶瓷粉末的低温固相合成方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、将化学计量比为1:1~1:1.1的微米级钛粉和微米级石墨粉混合；

步骤2、向上述混合物中加入聚四氟乙烯粉作为化学反应促进剂，其中聚四氟乙烯为钛粉和石墨粉混合粉体质量的2~5%；

步骤3、混合均匀后冷压成坯；

步骤4、在惰性气氛保护下加热坯料至530℃以上引发固相合成反应形成碳化钛陶瓷疏松块体；

步骤5、使碳化钛陶瓷疏松块体破碎，获得碳化钛陶瓷粉末。