CN103922293A - 一种Nb1-xTaxSe2纳米材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了本发明公开了一种Nb1-xTaxSe2纳米材料的制备方法，包括：配料、球磨、干燥和烧结步骤。所制备的Nb1-xTaxSe2纳米材料形貌为六方纳米片，纳米片径向尺寸为2-3μm，厚度为200nm。本发明采用简单固相反应原位合成出的Nb1-xTaxSe2纳米材料具备优良的摩擦学性能。本发明制备的Nb1-xTaxSe2纳米润滑材料方法简单易行、反应条件温和、工艺工程绿色无污染，成本低廉，药品安全易得。将该纳米材料作为润滑油添加剂时，具有优异的稳定性和分散性，且能有效改善润滑油的摩擦性能，具有良好的实用性和经济性。
Description
技术领域
本发明涉及固体纳米润滑材料技术领域，尤其涉及一种具有较高润滑性能Nb1-xTaxSe2纳米材料的制备方法。
背景技术
层状结构的过渡族金属硫硒化物MX2（M=Mo、W、Nb、Ti、Ta；X=S、Se)具有与石墨相似的晶体结构，晶体层与层之间通过较弱的范德华力结合，而层内则通过共价键结合，造成层间在剪切力的作用下容易滑移，故其具有良好的润滑性能，因此将其作为固体复合材料润滑添加剂和润滑油添加剂得到了广泛的应用与研究；传统的固体润滑材料如MoS2和石墨存在于自然界矿藏中，目前对其研究与应用最多，工业化应用最成熟。而对其它非天然的过渡族金属硫硒化物，如NbSe2，NbS2，由于原料稀少，价格较贵，合成困难等对其研究应用得比较少。面对这样的缺点，我们提出利用掺杂的手段制备出多相固体润滑材料，使材料在摩擦行为上起到多相协同润滑的作用。
目前掺杂是材料制备领域的一个新兴热点，掺杂能使材料晶型不变而形貌发生较大变化从而使材料的性能得到较大的提高，比如光催化性能，电导性以及机械性能等。其次掺杂能够降低成本，有利于商业生产。工业上一直存在回收利用并分离废弃合金中的Nb、Ta这一难题，而且在铌钽冶金过程中Nb、Ta的分离提纯也需要繁琐的工艺。此外，TaSe2具有与NbSe2相似的层状结构，均为优良的摩擦性能。因此在此背景下我们提出采用固相法研究制备一种Nb1-xTaxSe2纳米材料。为后续探索研究Se粉与废弃合金回收得到的Nb、Ta混合粉末反应得到掺杂的Nb1-xTaxSe2提供实验基础，以便省略原来Nb、Ta的繁琐分离，这为工业上回收利用废弃合金中的Nb、Ta提供了一种思路，具有较大实验意义。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种Nb1-xTaxSe2纳米材料的制备方法，方法简单而非常有效，制备的产品具有较好的润滑性能。
本发明采用如下技术方案：
本发明的Nb1-xTaxSe2纳米材料的制备方法的具体步骤如下：
（1）首先称取单质Nb粉和单质Se粉，Nb：Se物质的量之比为1：1～4，再按Nb1-xTaxSe2的化学计量称取Ta粉，其中x为1～7%；
（2）将步骤（1）称取的单质Nb粉，单质Se粉和单质Ta粉放入球磨罐中，称取直径为5mm、8mm的不锈钢球按照球料重量比5～15：1混合放入球磨罐中，5mm与8mm的不锈钢球按照个数1～5：1混合，进行酒精湿磨，球磨机以转速150～250rpm进行球磨6～13h；
（3）球磨完成之后的沉淀物放入烘箱里进行烘干，温度为60～100℃；
（4）将烘干以后的沉淀物放入密封的石英玻璃管中，放入管式反应炉中加热到600～900℃，升温速率每分钟5～15℃/min，保温1～3h后随炉自然冷却至室温，得到Nb1-xTaxSe2纳米材料。
步骤（1）中，单质Nb粉纯度为99%，粒径为200目；单质Se粉的纯度为99%，粒径为300目；单质Ta粉的纯度为99%，粒径为200目。
步骤（1）中，Nb：Se物质的量之比优选为1：2.3。
步骤（2）中，优选称取直径为5mm、8mm的不锈钢球按照球料重量比10：1混合放入球磨罐中，5mm与8mm的不锈钢球按照个数3：1混合，进行酒精湿磨。
步骤（2）中，优选球磨机以转速200rpm进行球磨9h。
步骤（2）中，球磨机是QMISP2型。
步骤（3）中，优选烘干温度为80℃。
步骤（4）中，优选将烘干以后的沉淀物放入密封的石英玻璃管中，放入管式反应炉中加热到750℃，升温速率每分钟10℃/min，保温2h后随炉自然冷却至室温，得到Nb1-xTaxSe2纳米材料。
本发明的方法制备的Nb1-xTaxSe2纳米材料形貌为较薄的六方纳米片，纳米片径向尺寸约为3μm，平均厚度为200nm。
本发明的Nb1-xTaxSe2纳米材料的制备方法，合成过程中采用简单固相反应合成出特殊形貌的Nb1-xTaxSe2纳米材料。本发明采用的固相法制备工艺简单，合成绿色无污染，所合成的纳米材料是一种新型的固体润滑纳米材料，是一种十分优秀的润滑油添加剂。
与现有技术相比，本发明具有的主要优点包括：本发明通过Ta掺杂NbSe2，并利用高能长时间球磨，通过固相反应制备出特殊形貌和不同尺寸的Nb1-xTaxSe2纳米润滑材料，工艺过程绿色无污染，成本低廉，药品安全易得，实验方法简单易操作。所制备的Nb1-xTaxSe2纳米润滑材料是均一的六方纳米片，作为润滑油添加剂具有较好的摩擦磨损性能，具有很好的实用性和经济性。
附图说明
图1是实施例1-5制备的纯NbSe2和Nb1-xTaxSe2（x=1%,3%,5%,7%）的XRD衍射图。
图2（a）和（b）是实施例1制备的纯NbSe2的扫描电镜（SEM）图。
图3（a）是实施例2制备的Nb0.99Ta0.01Se2扫描电镜（SEM）图。
图3（b）是实施例3制备的Nb0.97Ta0.03Se2扫描电镜（SEM）图。
图3（c）是实施例4制备的Nb0.95Ta0.05Se2扫描电镜（SEM）图。
图3（d）是实施例5制备的Nb0.93Ta0.07Se2扫描电镜（SEM）图。
图4是实施例3制备的Nb0.97Ta0.03Se2EDS谱图。
图5是纯基础油、添加5%NbSe2（实施例1制备）、Nb0.99Ta0.01Se2（实施例2制备）、Nb0.97Ta0.03Se2（实施例3制备）、Nb0.95Ta0.05Se2（实施例4制备）和Nb0.93Ta0.07Se2（实施例5制备）的油样在载荷为30N时摩擦系数随不同转速的变化曲线图。
图6是纯基础油、添加不同质量分数Nb0.97Ta0.03Se2（实施例3中制备）的油样在转速为300r/min条件下摩擦系数随不同载荷的变化曲线。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。
下面结合具体实施例进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
分别称取9.29gNb粉和18.15g Se粉，并按照球料比10:1称取直径为5mm、8mm的不锈钢球274g（5mm与8mm的不锈钢球个数比为3:1）。将称取好的Nb粉、Se粉和不锈钢球混合放入球磨罐中，进行酒精湿磨，转速为200rpm进行球磨9h；球磨完成之后将沉淀物放入烘箱里进行烘干，温度为80℃；将烘干以后的沉淀物放入密封的石英玻璃管中；将石英玻璃管放入管式炉中加热到750℃，升温速率为10℃/min，保温2h后随炉自然冷却至室温，即得到纯的NbSe2粉末。
实施例2：
分别称取Nb粉9.20g，Se粉18.15g，Ta粉0.18g，按照球料比10：1称取直径为5mm、8mm的不锈钢球275g（5mm与8mm的不锈钢球个数比为3:1）。将称取好的Nb粉、Se粉、Ta粉和不锈钢球混合放入球磨罐中，进行酒精湿磨，转速为200rpm进行球磨9h；球磨完成之后将沉淀物放入烘箱里进行烘干，温度为80℃；将烘干以后的沉淀物放入密封的石英玻璃管中；将石英玻璃管放入管式炉中加热到750℃，升温速率为10℃/min，保温2h后随炉自然冷却至室温，得到Nb0.99Ta0.01Se2纳米材料粉末。
实施例3：
分别称取Nb粉9.01g，Se粉18.15g，Ta粉0.54g，按照球料比10：1称取直径为5mm、8mm的不锈钢球277g（5mm与8mm的不锈钢球个数比为3:1）。将称取好的Nb粉、Se粉、Ta粉和不锈钢球混合放入球磨罐中，进行酒精湿磨，转速为200rpm进行球磨9h；球磨完成之后将沉淀物放入烘箱里进行烘干，温度为80℃；将烘干以后的沉淀物放入密封的石英玻璃管中；将石英玻璃管放入管式炉中加热到750℃，升温速率为10℃/min，保温2h后随炉自然冷却至室温，得到Nb0.97Ta0.03Se2纳米材料粉末。
实施例4：
分别称取Nb粉8.83g，Se粉18.15g，Ta粉0.90g，按照球料比10：1称取直径为5mm、8mm的不锈钢球279g（5mm与8mm的不锈钢球个数比为3:1）。将称取好的Nb粉、Se粉、Ta粉和不锈钢球混合放入球磨罐中，进行酒精湿磨，转速为200rpm进行球磨9h；球磨完成之后将沉淀物放入烘箱里进行烘干，温度为80℃；将烘干以后的沉淀物放入密封的石英玻璃管中；将石英玻璃管放入管式炉中加热到750℃，升温速率为10℃/min，保温2h后随炉自然冷却至室温，得到Nb0.95Ta0.05Se2纳米材料粉末。
实施例5：
分别称取Nb粉8.64g，Se粉18.15g，Ta粉1.27g，按照球料比10：1称取直径为5mm、8mm的不锈钢球281g（5mm与8mm的不锈钢球个数比为3:1）。将称取好的Nb粉、Se粉、Ta粉和不锈钢球混合放入球磨罐中，进行酒精湿磨，转速为200rpm进行球磨9h；球磨完成之后将沉淀物放入烘箱里进行烘干，温度为80℃；将烘干以后的沉淀物放入密封的石英玻璃管中；将石英玻璃管放入管式炉中加热到750℃，升温速率为10℃/min，保温2h后随炉自然冷却至室温，得到Nb0.93Ta0.07Se2纳米材料粉末。
将实施例1制备的纯NbSe2（实施例1制备）、实施例2制备的Nb0.99Ta0.01Se2、实施例3制备的Nb0.97Ta0.03Se2、实施例4制备的Nb0.95Ta0.05Se2和实施例5制备的Nb0.93Ta0.07Se2的纳米材料以质量分数5%添加到液体石蜡基础油HVI750中，利用超声波发生器将固体粉末均匀分散到基础油中，配制成混浊液油样。在UMT-2型摩擦磨损实验机上考察纯基础油和含有5%质量分数添加剂的混合油样的摩擦学性能，测定相同载荷不同转速下摩擦系数的变化情况。摩擦副采用球-盘接触形式，上试样为材料牌号440C直径为4mm的不锈钢球，下试样为φ20mm×5mm的45#钢盘，实验时上试样固定不动，下试样作旋转运动，旋转直径为7mm，实验时间为30min。实验所用不锈钢球型号为440-C（9Cr18），直径为3mm，硬度为HRC62。
将质量分数为3%、5%和8%的Nb0.97Ta0.03Se2纳米材料（实施例3制备）分别添加到液体石蜡基础油HVI750中，利用超声波发生器将固体粉末均匀分散到基础油中，配制成混浊液油样。在UMT-2型摩擦磨损实验机上考察纯基础油和含有不同质量分数添加剂的混合油样的摩擦学性能，测定固定转速下摩擦系数随不同载荷变化曲线图。摩擦副采用球-盘接触形式，上试样为材料牌号440C直径为4mm的不锈钢球，下试样为φ20mm×5mm的45#钢盘，实验时上试样固定不动，下试样作旋转运动，旋转直径为7mm，实验时间为30min。实验所用不锈钢球型号为440-C（9Cr18），直径为3mm，硬度为HRC62。
图1所示为实施例1制备的纯NbSe2、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5制备的Nb1-xTaxSe2（x分别对应1%,3%,5%,7%）的XRD衍射图，图2（a）和（b）是实施例1制备的纯NbSe2的扫描电镜（SEM）图，从图中可看出本发明所制备的纯NbSe2纳米材料形貌为六方纳米片，径向尺寸约为3μm，厚度为300nm。图3（a）是实施例2制备的Nb0.99Ta0.01Se2扫描电镜（SEM）图，图3（b）是实施例3制备的Nb0.97Ta0.03Se2扫描电镜（SEM）图，图3（c）是实施例4制备的Nb0.95Ta0.05Se2扫描电镜（SEM）图，图3（d）是实施例5制备的Nb0.93Ta0.07Se2扫描电镜（SEM）图，图4是实施例3制备的Nb0.97Ta0.03Se2EDS谱图。从图中可看出本发明所制作的Nb1-xTaxSe2纳米片厚度明显变小，尤其是实施例3所制备的Nb0.97Ta0.03Se2纳米片形貌均一，径向尺寸约为2.5μm，厚度为200nm。
如图5所示，添加5%Nb1-xTaxSe2的油样相比纯基础油HVI750均具有优良的减磨效果，且添加实施例3制备的Nb0.97Ta0.03Se2的油样摩擦系数表现最低，摩擦系数平均值为0.074，相比平均摩擦系数为0.12的纯石蜡油降低了38.3%，同时相比平均摩擦系数为0.091的添加了纯NbSe2的石蜡油降低了18.7%。图6所示为添加3wt%、5wt%和8wt%实施例3制备的Nb0.97Ta0.03Se2的纯基础油与纯基础油HVI750在不同载荷下（10N，20N，30N，40N，50N），转速为300r/min条件下的摩擦曲线图。由图6可知，添加了Nb0.97Ta0.03Se2的油样相比纯基础油的减摩性和承载能力都有较大的提高，且添加5wt%Nb0.97Ta0.03Se2的油样摩擦性能最好，当载荷为30N时，相比于摩擦系数为0.118的纯石蜡油，添加5wt%Nb0.97Ta0.03Se2的油样摩擦系数（0.075）降低了36.4%。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种Nb1-xTaxSe2纳米材料的制备方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
（1）首先称取单质Nb粉和单质Se粉，Nb：Se物质的量之比为1：1～4，再按Nb1-xTaxSe2的化学计量称取Ta粉，其中x为1～7%；
（2）将步骤（1）称取的单质Nb粉，单质Se粉和单质Ta粉放入球磨罐中，称取直径为5mm、8mm的不锈钢球按照球料重量比5～15：1混合放入球磨罐中，5mm与8mm的不锈钢球按照个数1～5：1混合，进行酒精湿磨，球磨机以转速150～250rpm进行球磨6～13h；
（3）球磨完成之后的沉淀物放入烘箱里进行烘干，温度为60～100℃；
（4）将烘干以后的沉淀物放入密封的石英玻璃管中，放入管式反应炉中加热到600～900℃，升温速率每分钟5～15℃/min，保温1～3h后随炉自然冷却至室温，得到Nb1-xTaxSe2纳米材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，单质Nb粉纯度为99%，粒径为200目；单质Se粉的纯度为99%，粒径为300目；单质Ta粉的纯度为99%，粒径为200目。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，Nb：Se物质的量之比为1：2.3。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，称取直径为5mm、8mm的不锈钢球按照球料重量比10：1混合放入球磨罐中，5mm与8mm的不锈钢球按照个数3：1混合，进行酒精湿磨。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，球磨机以转速200rpm进行球磨9h。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，球磨机是QMISP2型。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，烘干温度为80℃。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，将烘干以后的沉淀物放入密封的石英玻璃管中，放入管式反应炉中加热到750℃，升温速率每分钟10℃/min，保温2h后随炉自然冷却至室温，得到Nb1-xTaxSe2纳米材料。
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