CN103736992A - 一种核壳结构纳米TiC/W复合粉体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核壳结构纳米TiC/W复合粉体的制备方法，包括TiC粉的活化和超声沉积各单元过程：所述TiC粉的活化是将TiC粉置于活化液中超声活化30-40分钟，活化完成后用去离子水洗涤并于60℃干燥1-3小时得到活化TiC粉；所述超声沉积是将5-10g活化TiC粉加入化学沉积溶液中，用氨水调pH值9.0-11.0，超声沉积包覆120-180分钟，静置2-3小时后过滤、洗涤并干燥得到TiC/W复合粉体。本发明TiC/W复合粉体中W和TiC成分可控，避免了采用机械合金化法易引入大量杂质引起成分的微量变化、且第二相易团聚在晶界等缺点；本发明所得TiC/W复合粉体成分的均匀化程度高。

Description

一种核壳结构纳米TiC/W复合粉体的制备方法

一、技术领域

本发明涉及一种复合粉体的制备方法，具体地说是一种核壳结构纳米TiC/W复合粉体的制备方法。 

二、背景技术

能源是人类活动的物质基础，人们对于能源的需求日益增大。化石燃料等传统能源存量有限，在可预见的未来即将枯竭，并带来严峻的环境问题。作为替代能源的再生能源包括太阳能、风能、潮汐能、生物能等产量和效率很低。裂变能存在着环境和安全问题且裂变资源铀储量有限，只能作为一种过渡性能源。受控热核聚变能是人类的终极理想清洁能源，几乎不会带来放射性污染等环境问题，其燃料氘大量存在于海水之中，取之不尽用之不竭，被认为是可有效解决人类未来能源需求的主要途径。 

面对等离子体第一壁材料是制约聚变能发展的最重要问题之一，因为第一壁材料要承受高的H/He等离子体能量(10²⁰-10²⁴m^-2s^-1)，高的热流密度(10-20MWm^-2)和高能量的中子辐照(14MeV)。经过长期的研究发现，W及W合金因其具有高熔点、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，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。但是，W在核聚变装置中的应用还存在很多问题，如韧脆转变温度(DBTT约400℃)高（低温脆性）、再结晶温度（约1300℃）低（再结晶脆性）和辐照硬化和脆化（辐照脆性）等。为了克服纯W的上述脆性，研究人员采用各种途径来强化钨，碳化物颗粒强化是其中有效手段之一。TiC具有高熔点，低密度，良好的高温强度，以及与钨具有相似的热膨胀系数等性质，而且可以和W形成(Ti,W)C固溶体，是W合金的一种较好的增强体材料。其中，高能球磨法是目前制备超细/纳米钨基复合粉末应用最广泛的一种方法，其设备简单，工艺流程短。然而，当球磨时间长，由于磨球和磨罐的磨损，易引入大量杂质，并引起成分的微量变化，不能满足第一壁材料的要求。经过球磨得到的粉末具有较高的表面自由能，第二相颗粒易于在W颗粒表面团聚，导致烧结后第二相TiC颗粒都偏聚在W晶界处。这些硬颗粒在晶界处造成应力集中，易于在晶界附近产生局部应变和萌生裂纹。 

核壳结构纳米材料以其特殊的优异性能吸引了许多研究者的兴趣，掀起了纳米材料的研究热潮。核壳结构材料一般由中心的核以及包覆在外部的壳组成，核壳材料一般为圆形颗粒，包覆在颗粒外部的壳可以改变并赋予颗粒光、电、磁、催化和生物活性等性质。如今核壳结构材料已经拓展为化学、物理、生物、材料等诸多科学的交叉领域，并在医药、非线性光学 器件、电发光器件以及催化等方面显示出诱人的应用前景。 

三、发明内容

本发明旨在提供一种核壳结构纳米TiC/W复合粉体的制备方法，减少TiC颗粒在W晶界的团聚以及其在晶界处造成的应力集中，并且使复合粉体在较低的温度下烧结达到较高的烧结致密度。 

本发明解决技术问题采用如下技术方案： 

本发明核壳结构纳米TiC/W复合粉体的制备方法，包括TiC粉的活化和超声沉积各单元过程； 

所述TiC粉的活化是将TiC粉置于活化液中超声活化30-40分钟，活化完成后用去离子水洗涤并于60℃干燥1-3小时得到活化TiC粉；所述TiC粉的粒径为20-100纳米；所述活化液为氢氟酸、氟化铵、盐酸和硝酸的水溶液，所述活化液中氢氟酸的浓度为30-60ml/L，以质量浓度40%的氢氟酸溶液计；氟化铵的浓度为2-10g/L；盐酸的浓度为60-90ml/L，以质量浓度为37%的盐酸溶液计；硝酸的浓度为20-30ml/L，以质量浓度65%的硝酸溶液计； 

所述超声沉积是将5-10g活化TiC粉加入化学沉积溶液中，用氨水调pH值9.0-11.0，超声沉积包覆120-180分钟，静置2-3小时后过滤、洗涤并干燥得到TiC/W复合粉体；所述化学沉积溶液为氯化钨、乳酸、水合肼和2,2'-联吡啶的乙醇溶液，所述化学沉积溶液中氯化钨的浓度为10-25g/L，乳酸的浓度为40-100ml/L，水合肼的浓度为80-160mL/L，2,2'-联吡啶的浓度为0.4-2g/L。 

TiC粉的活化过程中所述超声活化的超声频率为40KHz，功率为100-400W。 

超声沉积过程中所述超声沉积包覆的超声频率为40KHz，功率为100-400W。 

本发明通过对TiC粉进行常温超声波辅助活化处理，然后通过水浴加超声波辅助化学沉积法在TiC粉末表面包覆超细W层，最终获得成分均匀分布的具有核壳结构的TiC/W。 

与目前超细纳米W-TiC复合粉体的制备方法相比，采用超声加水浴辅助化学沉积法制备纳米TiC/W复合粉体，其W和TiC成分可控，避免了采用机械合金化法易引入大量杂质，引起成分的微量变化且第二相易团聚在晶界等缺点；本发明所得TiC/W复合粉体成分的均匀化程度高。将本发明所得TiC/W复合粉体在600-800MPa下压制得到压坯，再于2000-2300℃烧结90-120min，得到的W-TiC复合材料的相对密度达96.1-98.3%，再结晶温度明显提高，具有良好的抗热负荷性能。 

四、附图说明

图1为本发明实施例获得的TiC/W复合粉体的TEM图。从图1中可以看出TiC颗粒完全被W包覆，形成了很好的核壳结构。 

五、具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。 

实施例1： 

1、活化TiC粉的制备 

将5g粒径为50nm纳米的TiC粉置于活化液中超声活化30分钟，超声频率为40KHz，功率为100W，活化完成后用去离子水洗涤三次并于60℃干燥1小时得到活化TiC粉； 

所述活化液为氢氟酸、氟化铵、盐酸和硝酸的水溶液，所述活化液中氢氟酸的浓度为40ml/L，以质量浓度40%的氢氟酸溶液计；氟化铵的浓度为2g/L；盐酸的浓度为60ml/L，以质量浓度为37%的盐酸溶液计；硝酸的浓度为20ml/L，以质量浓度65%的硝酸溶液计； 

2、TiC/W复合粉体的制备 

将活化TiC粉加入化学沉积溶液中，用氢氧化钠溶液调pH值9.0，60℃水浴加超声沉积包覆120分钟，超声频率为40KHz，功率为100W，静置2小时后过滤、洗涤，先用酒精洗涤三次，再用去离子水洗涤三次并于60℃干燥1小时得到TiC/W复合粉体； 

所述化学沉积溶液为氯化钨、乳酸、水合肼和2,2'-联吡啶的乙醇溶液，所述化学沉积溶液中氯化钨的浓度为10g/L，乳酸的浓度为60ml/L，水合肼的浓度为120mL/L，2,2'-联吡啶的浓度为0.4g/L。 

3、压制烧结 

将本实施例制备的TiC/W复合粉体以600MPa的单位压力压制成形得到压坯，然后置于真空碳管烧结炉中，在2000℃烧结90min，得到核壳结构W-TiC复合材料烧结体。 

本实施例制备的W-TiC合金成分均匀、粉体纯度高，没有出现粉末成团现象，TiC颗粒主要分布在W晶粒内部及晶界。所制得的压坯在2000℃温度下烧结90min条件下，烧结样相对密度达96.1%，再结晶温度明显提高，具有良好的抗热负荷性能。 

实施例2： 

1、活化TiC粉的制备 

将5g粒径为50nm纳米的TiC粉置于活化液中超声活化35分钟，超声频率为40KHz，功率为100W，活化完成后用去离子水洗涤三次并于60℃干燥1小时得到活化TiC粉； 

所述活化液为氢氟酸、氟化铵、盐酸和硝酸的水溶液，所述活化液中氢氟酸的浓度为60ml/L，以质量浓度40%的氢氟酸溶液计；氟化铵的浓度为4g/L；盐酸的浓度为75ml/L，以质量浓度为37%的盐酸溶液计；硝酸的浓度为25ml/L，以质量浓度65%的硝酸溶液计； 

2、TiC/W复合粉体的制备 

将活化TiC粉加入化学沉积溶液中，用氢氧化钠溶液调pH值10.0，60℃水浴加超声沉积包覆120分钟，超声频率为40KHz，功率为100W，静置2小时后过滤、洗涤，先用酒精洗涤三次，再用去离子水洗涤三次并于60℃干燥1小时得到TiC/W复合粉体； 

所述化学沉积溶液为氯化钨、乳酸、水合肼和2,2'-联吡啶的乙醇溶液，所述化学沉积溶液中氯化钨的浓度为12g/L，乳酸的浓度为80ml/L，水合肼的浓度为140mL/L，2,2'-联吡啶的浓度为0.8g/L。 

3、压制烧结 

将本实施例制备的TiC/W复合粉体以700MPa的单位压力压制成形得到压坯，然后置于真空碳管烧结炉中，在2000℃烧结120min，得到核壳结构W-TiC复合材料烧结体。 

本实施例制备的W-TiC合金成分均匀、粉体纯度高，没有出现粉末成团现象，TiC颗粒主要分布在W晶粒内部及晶界。所制得的压坯在2000℃温度下烧结120min条件下，烧结样相对密度达97.5%，再结晶温度明显提高，具有良好的抗热负荷性能。 

实施例3： 

1、活化TiC粉的制备 

将10g粒径为50nm纳米的TiC粉置于活化液中超声活化40分钟，超声频率为40KHz，功率为400W，活化完成后用去离子水洗涤三次并于60℃干燥1小时得到活化TiC粉； 

所述活化液为氢氟酸、氟化铵、盐酸和硝酸的水溶液，所述活化液中氢氟酸的浓度为80ml/L，以质量浓度40%的氢氟酸溶液计；氟化铵的浓度为6g/L；盐酸的浓度为90ml/L，以质量浓度为37%的盐酸溶液计；硝酸的浓度为30ml/L，以质量浓度65%的硝酸溶液计； 

2、TiC/W复合粉体的制备 

将活化TiC粉加入化学沉积溶液中，用氢氧化钠溶液调pH值11.0，80℃水浴加超声沉积包覆180分钟，超声频率为40KHz，功率为400W，静置2小时后过滤、洗涤，先用酒精洗涤三次，再用去离子水洗涤三次并于60℃干燥1小时得到TiC/W复合粉体； 

所述化学沉积溶液为氯化钨、乳酸、水合肼和2,2'-联吡啶的乙醇溶液，所述化学沉积溶液中氯化钨的浓度为15g/L，乳酸的浓度为190ml/L，水合肼的浓度为160mL/L，2,2'-联吡啶的浓度为2g/L。 

3、压制烧结 

将本实施例制备的TiC/W复合粉体以800MPa的单位压力压制成形得到压坯，然后置于真空碳管烧结炉中，在2200℃烧结120min，得到核壳结构W-TiC复合材料烧结体。 

本实施例制备的W-TiC合金成分均匀、粉体纯度高，没有出现粉末成团现象，TiC颗粒 主要分布在W晶粒内部及晶界。所制得的压坯在2200℃温度下烧结120min条件下，烧结样相对密度达98.3%，再结晶温度明显提高，具有良好的抗热负荷性能。 

Claims (3)

1.一种核壳结构纳米TiC/W复合粉体的制备方法，其特征在于：包括TiC粉的活化和超声沉积各单元过程；

所述TiC粉的活化是将TiC粉置于活化液中超声活化30-40分钟，活化完成后用去离子水洗涤并于60℃干燥1-3小时得到活化TiC粉；所述TiC粉的粒径为20-100纳米；所述活化液为氢氟酸、氟化铵、盐酸和硝酸的水溶液，所述活化液中氢氟酸的浓度为30-60ml/L，以质量浓度40%的氢氟酸溶液计；氟化铵的浓度为2-10g/L；盐酸的浓度为60-90ml/L，以质量浓度为37%的盐酸溶液计；硝酸的浓度为20-30ml/L，以质量浓度65%的硝酸溶液计；

所述超声沉积是将5-10g活化TiC粉加入化学沉积溶液中，用氨水调pH值9.0-11.0，超声沉积包覆120-180分钟，静置2-3小时后过滤、洗涤并干燥得到TiC/W复合粉体；所述化学沉积溶液为氯化钨、乳酸、水合肼和2,2'-联吡啶的乙醇溶液，所述化学沉积溶液中氯化钨的浓度为10-25g/L，乳酸的浓度为40-100ml/L，水合肼的浓度为80-160mL/L，2,2'-联吡啶的浓度为0.4-2g/L。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：TiC粉的活化过程中所述超声活化的超声频率为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：超声沉积过程中所述超声沉积包覆的超声频率为40KHz，功率为100-400W。

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