CN103567438B - 一种W包覆TiC纳米级复合粉体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种W包覆TiC纳米级复合粉体的制备方法，包括前驱体的制备和还原反应各单元过程：所述前驱体的制备是将TiC粉末加入草酸溶液中超声分散20-30min，然后加入仲钨酸铵，于155-185℃恒温搅拌反应90-240min，干燥后得到W/TiC前驱体；所述还原反应是将W/TiC前驱体置于管式烧结炉中，在氢气气氛中烧结后得到W包覆TiC复合粉体。本发明方法使TiC呈现被W包覆的状态弥散分布在W基体中，解决TiC颗粒在W表面聚集和在晶界造成的应力集中问题。制备出的纳米级W/TiC复合粉体，在烧结时可以低温致密化；且TiC的弥散分布可以强化W基体，满足高温下的使用。

Description

一种W包覆TiC纳米级复合粉体的制备方法

一、技术领域

本发明涉及一种纳米粉体的制备方法，具体地说是一种W包覆TiC纳米级复合粉体的制备方法。

二、背景技术

面对不可再生能源预见性的枯竭，可再生能源低产低效。人类利用磁性约束托卡马克装置实现对等离子体在高温下的控制，利用核聚变能来解决人类能源危机。直接面对这种高温等离子体的第一壁材料需要承受聚变堆高热负荷、高粒子通量和中子负载等苛刻条件。W及W合金因其具有高熔点(3410℃)、高导热率、高密度、低的热膨胀系数、低蒸气压、低氚滞留、低溅射产额和高自溅射阀值等优异性能，故被认为是今后核聚变装置最有前途的面对等离子体第一壁材料。然而，W存在很多脆性问题：低温脆性、再结晶脆性和辐照脆性等。为了解决这些问题，一般在W基体中添加第二相（如一些稀土氧化物和一些碳化物）对材料进行强化，而用TiC纳米颗粒弥散强化是比较常用的第二相颗粒。

一般用机械合金化制备超细W/TiC复合粉末，这种方法制备简单，也能得到TiC分布均匀的复合粉体。然而，在这种高能球磨过程中容易引入杂质，严重影响W基材料的性能。另外，高能球磨后的粉体在其表面产生很高的表面能，TiC颗粒在W的表面聚集，高温烧结后，TiC在W晶界上形成。这种状态的W基复合材料容易在晶界处产生裂纹，在受力时容易产生应力集中导致材料失效。不能满足面对等离子体第一壁材料的应用。

改变TiC颗粒在W表面聚集的状态，制备W包覆TiC颗粒的复合粉体，不但能够使TiC均匀分布，避免团聚改善上述问题；而且可以减少杂质的引入，控制TiC的成分。

三、发明内容

本发明旨在提供一种W包覆TiC纳米级复合粉体的制备方法，使TiC呈现被W包覆的状态弥散分布在W基体中，解决TiC颗粒在W表面聚集和在晶界造成的应力集中问题。制备出的纳米级W/TiC复合粉体，在烧结时可以低温致密化；且TiC的弥散分布可以强化W基体，满足高温下的使用。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

本发明W包覆TiC纳米级复合粉体的制备方法，包括前驱体的制备和还原反应各单元过程：

所述前驱体的制备是将TiC粉末加入草酸溶液中超声分散20-30min，使其弥散分布，草酸溶液的浓度为84-134g/L，TiC粉的添加量为0.833g/L；然后加入仲钨酸铵，仲钨酸铵的添加量为56-114.3g/L，于155-185℃恒温搅拌反应90-240min，干燥后得到W/TiC前驱体；恒温搅拌装置采用的是集热式恒温磁力搅拌器，型号：DF-101S，其工作参数是：加热功率为500W，点机功率30W，搅拌容量2000mL，转速0-2600r/min。

所述还原反应是将W/TiC前驱体置于管式烧结炉中，在氢气气氛中烧结后得到W包覆TiC复合粉体。在烧结过程中保持氢气的流通。氢气气氛中H₂的含量≥99.999%。

前驱体的制备过程中所述超声分散的超声频率为40KHz，功率为100-400W。

还原反应过程中所述烧结是首先升温至200℃保温30min，然后升温至500℃保温60min，再升温至800℃保温60min，降温至500℃后随炉自然冷却。烧结过程中的升温速率为5℃/min，降温速率为5℃/min。本发明采用上述烧结工艺所获得的W包覆TiC纳米级复合粉体尺寸均匀，纯度高。

本发明选用草酸和仲钨酸铵在一定温度的条件下发生化学反应，蒸发结晶得到W/TiC前驱体粉末。草酸不会立即和仲钨酸铵发生反应，可以有足够的时间在TiC粉体表面形核，实现W包覆TiC的结构。在氢气气氛下还原，W原位形核得到W包覆TiC复合粉体。

本发明方法制备的W包覆TiC复合粉体，在W和TiC成分上可控，同时纯度非常的高。本发明方法避免了机械球磨引入的杂质，制备的粉体均匀化程度高，粒度约为100nm。

四、附图说明

图1(a)是W包覆TiC复合粉体的FE-SEM，图1(b)是W包覆TiC复合粉体的XRD图谱。由图1可知，本发明方法制备出的W包覆TiC复合粉体颗粒均匀，粒度约为100nm，且纯度大于98%。在XRD中未能看到TiC的峰谱，说明TiC的添加量低。

图2(a)是W包覆TiC复合粉体的的TEM图；图2(b)为图2(a)中圆区域的HRTEM图，插图为衍射环图。从图2(a)可知TiC颗粒被更细小的W纳米颗粒包覆，图2(a)更一步验证了颗粒的中心部位是TiC，表面包覆着纳米W颗粒。

五、具体实施方式

实施例1：

1、W/TiC前驱体的制备

将0.0250gTiC粉末加入25-50ml草酸溶液中（草酸含量3.00g），超声分散30分钟使其弥散分布，超声频率为40KHz，功率为100W；然后加入3.43g的仲钨酸铵，在165℃油浴锅中反应180分钟，其间不断用玻璃棒搅拌，使TiC粉末进一步分散，干燥后得到W/TiC前驱体。

2、H₂还原

将得到的W/TiC前驱体先在玛瑙研钵中研细，然后放入管式中温烧结炉中，先升温至200℃保温30min，然后升温至500℃保温60min，再升温至800℃保温60min，降温至500℃后随炉冷却，得到W包覆TiC复合粉体，简记为W-1wt%TiC复合粉体（指复合粉体中TiC的含量为1wt%，下同）。烧结过程中的升温速率为5℃/min，降温速率为5℃/min。烧结的过程中一直保持氢气的流通。

本实施例制备的W/TiC纳米粉体，在W和TiC成分上可控，纯度大于99%。

实施例2：

1、W/TiC前驱体的制备

将0.0250gTiC粉末加入25-50ml草酸溶液中（草酸含量2.00g），超声分散30分钟使其弥散分布，超声频率为40KHz，功率为100W；然后加入1.70g的仲钨酸铵，在165℃油浴锅中反应120分钟，其间不断用玻璃棒搅拌，使TiC粉末进一步分散，干燥后得到W/TiC前驱体。

2、H₂还原

将得到的W/TiC前驱体先在玛瑙研钵中研细，然后放入管式中温烧结炉中，先升温至200℃保温30min，然后升温至500℃保温60min，再升温至800℃保温60min，降温至500℃后随炉冷却，得到W包覆TiC复合粉体，简记为W-2wt%TiC复合粉体。烧结过程中的升温速率为5℃/min，降温速率为5℃/min。烧结的过程中一直保持氢气的流通。

本实施例制备的W/TiC纳米粉体，在W和TiC成分上可控，纯度大于98%。

实施例3：

1、W/TiC前驱体的制备

将0.0250gTiC粉末加入25-50ml草酸溶液中（草酸含量1.500g），超声分散30分钟使其弥散分布，超声频率为40KHz，功率为100W；然后加入1.12g的仲钨酸铵，在165℃油浴锅中反应100分钟，其间不断用玻璃棒搅拌，使TiC粉末进一步分散，干燥后得到W/TiC前驱体。

2、H₂还原

将得到的W/TiC前驱体先在玛瑙研钵中研细，然后放入管式中温烧结炉中，先升温至200℃保温30min，然后升温至500℃保温60min，再升温至800℃保温60min，降温至500℃后随炉冷却，得到W包覆TiC复合粉体，简记为W-3wt%TiC复合粉体。烧结过程中的升温速率为5℃/min，降温速率为5℃/min。烧结的过程中一直保持氢气的流通。

本实施例制备的W/TiC纳米粉体，在W和TiC成分上可控，纯度大于99%。

Claims (3)

1.一种W包覆TiC纳米级复合粉体的制备方法，包括前驱体的制备和还原反应各单元过程，其特征在于：

所述前驱体的制备是将TiC粉末加入草酸溶液中超声分散20-30min，使其弥散分布，草酸溶液的浓度为84-134g/L，TiC粉的添加量为0.833g/L；然后加入仲钨酸铵，仲钨酸铵的添加量为56-114.3g/L，于155-185℃恒温搅拌反应90-240min，干燥后得到W/TiC前驱体；

所述还原反应是将W/TiC前驱体置于管式烧结炉中，在氢气气氛中烧结后得到W包覆TiC复合粉体；所述烧结是首先升温至200℃保温30min，然后升温至500℃保温60min，再升温至800℃保温60min，降温至500℃后随炉自然冷却。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

前驱体的制备过程中所述超声分散的超声频率为40KHz，功率为100-400W。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

烧结过程中的升温速率为5℃/min，降温速率为5℃/min。