CN110817896B - 一种纳米二硼化钛粉体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种纳米二硼化钛粉体的制备方法，涉及高熔点硼化物粉体的制备技术领域。取硝酸钛、镁粉、三溴化硼置于密封的高压反应釜中进行反应，反应产物经过洗涤、过滤、干燥获得二硼化钛粗粉，粗粉中含部分氮化钛杂质；将装有二硼化钛粗粉和助磨剂的球磨罐放入到等离子体球磨机中，设置好转速和球磨时间后进行球磨处理；待球磨结束后，取出反应产物并通过分级处理即可得到不同粒度分布的二硼化钛纳米粉体。球磨过程中不会产生有害物质，有利于环境保护。同时，在球磨过程中引入一定强度的等离子体，使粉体颗粒表面活性增强，诱导原料中的杂相进一步反应，进一步控制粉体的结构缺陷，从而纯化了产品，同时也加速了球磨进程。

Description

一种纳米二硼化钛粉体的制备方法
技术领域
本发明涉及高熔点硼化物粉体的制备技术领域，具体是涉及一种纳米二硼化钛粉体的制备方法。
背景技术
具有高熔点、高强度、良好的耐磨性和化学稳定性、高导电率和热导率的过渡金属硼化物近年来已成为研究的热点方向。二硼化钛(TiB2)是重要的硼化物材料，为IVB族金属的二硼化物且具有相同的六方平面网状结构。二硼化钛(TiB2)除了具备过渡族金属硼化物的良好的理化性质之外，还具有优异的电学性能、抗氧化性能和高温抗蠕变性能，这使得二硼化钛(TiB2)在结构材料、功能材料、超高温材料领域有着广泛的应用。
目前常见的硼化物合成方法有电弧熔炼法、还原反应法、机械化学法等。电弧熔炼法是高熔点电极产生电弧使金属融化，断电后温度下降金属凝固成锭，该方法要求制备材料具有金属性。另外存在以TiCl4和NaBH4为反应原料在惰性气体(Ar)中发生还原反应(500～700℃)得到粒径均匀(20nm)的TiB2粉体，但产生的氯化氢气体存在环境污染且制备的粉体分散性较差。而传统机械化学法主要是通过球磨使原料颗粒变细，提高粉体表面能，降低反应温度，具有工艺简便、生产效率高等优点，但合成的粉体粒径分布不均匀且结构缺陷较多仍然是需要进一步改善的方面。
发明内容
针对上述存在制备二硼化钛粉体出现的不足之处，本发明提供了一种纳米二硼化钛粉体的制备方法，工艺能耗少、工艺简便、制得的粉体纯度较高。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种纳米二硼化钛粉体的制备方法，步骤如下：
步骤一、制备二硼化钛粗粉
取硝酸钛、镁粉、三溴化硼置于密封的高压反应釜中进行反应，反应产物经过洗涤、过滤、干燥获得二硼化钛粗粉，粗粉中含部分氮化钛杂质；
步骤二、球磨制备纳米二硼化钛粉体
将装有二硼化钛粗粉和助磨剂的球磨罐放入到等离子体球磨机中，设置好转速和球磨时间后进行球磨处理；
待球磨结束后，取出反应产物并通过分级处理即可得到不同粒度分布的二硼化钛纳米粉体。
作为本发明的优选技术方案，纳米二硼化钛粉体的制备方法中：
步骤一中硝酸钛、镁粉、三溴化硼的重量比为1：3～5：2～3，于200～300℃下反应1～5小时。
步骤二中二硼化钛粗粉和助磨剂的重量比为1：1，助磨剂为乙二醇。球磨机中转速为300～600转/分钟，球磨时间为4～15小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
1)、本发明通过硝酸钛、镁粉、三溴化硼实现了二硼化钛粉体的制备，同时，利用球磨工艺实现产物纯度的提升，所采用的工艺具有简便、成本低廉等优点，可以用于规模化生产。制备产物具有粒径分布均匀、产物纯度高等优点。
2)、本发明所采用的球磨工艺中选用制备的二硼化钛粗粉和助磨剂为反应原料，球磨过程中不会产生有害物质，有利于环境保护。同时，在球磨过程中引入一定强度的等离子体，使粉体颗粒表面活性增强，诱导原料中的杂相进一步反应，进一步控制粉体的结构缺陷，从而纯化了产品，同时也加速了球磨进程。
附图说明
图1是步骤一制备二硼化钛粗粉、步骤二制备三种二硼化钛粉体的XRD图；
图2是步骤一制备二硼化钛粗粉(a)、步骤二制备三种二硼化钛粉体(b、c、d分别对应球磨4、8、12小时)的SEM图。
具体实施方式
本发明提出了一种纳米二硼化钛粉体的制备方法，步骤如下：
步骤一、制备二硼化钛粗粉
按照重量比为1：3～5：2～3取硝酸钛、镁粉、三溴化硼置于密封的高压反应釜中，于200～300℃下反应1～5小时，反应产物经过酸洗涤除去杂质、过滤、干燥获得二硼化钛粗粉，粗粉中含部分氮化钛杂质(氮化钛通过酸洗是无法除去的)。
步骤二、球磨制备纳米二硼化钛粉体
将装有二硼化钛粗粉和助磨剂乙二醇(两者重量比为1：1)的球磨罐放入到等离子体球磨机中，设置好转速300～600转/分钟和球磨时间(4、8、12小时)后进行球磨处理。
待球磨结束后，取出反应产物并通过分级处理即可得到不同粒度分布的二硼化钛纳米粉体。
图1是步骤一制备二硼化钛粗粉、步骤二制备三种二硼化钛粉体的XRD图，通过图1可以看出，未进行球磨处理的TiB2粗粉含有一定量的TiN物相，可明显观察到有TiN物相的衍射特征峰的存在。但是，并且随着球磨时间的延长，TiN的衍射特征峰的峰高趋于平缓，且反应产物的整体衍射峰的峰强逐步上升，说明TiB2纳米粉体的结晶度随着球磨时间延长而逐渐增加。
图2是步骤一制备二硼化钛粗粉(a)、步骤二制备三种二硼化钛粉体(b、c、d分别对应球磨4、8、12小时)的SEM图，通过图2来分析四组反应产物的微观形貌并分析球磨时间对粉体粒度的影响：
当TiB2粗粉不经球磨处理时，由图2a可知，获得的产物形状为无规则大颗粒，均由若干一次颗粒构成，且颗粒的粒径主要分布在20～80μm之间；当进行4h球磨处理时，由图2b可知，产物形状仍然是无规则，且主要由一次颗粒和部分二次颗粒构成，一次颗粒的尺寸较大(约为1～2μm)；当球磨时间为8h时，由图2c可知，反应产物的形状为类球形，且反应产物的仍由一次颗粒和二次颗粒构成，构成二次颗粒的一次颗粒尺寸较大(约为500～900nm)；继续球磨至12h，由图2d可知，反应产物主要由若干一次颗粒和部分二次颗粒构成，形状也为类球形，一次颗粒尺寸最小(约为20～100nm)，且构成二次颗粒的一次颗粒尺寸较大(约为200～800nm)。
结合上述X射线粉末衍射和场发射扫描电镜分析与测试可得到结论：
控制球磨时间分别为0h、4h、8h、12h，可明显观察到二硼化钛粉体颗粒的粒度随着球磨时间延长而逐渐减小，颗粒尺寸由微米级别到纳米级别发生转变，且当球磨时间为12h，二硼化钛粉体颗粒平均粒径最小为20～100nm。同时，在等离子体发生器的作用下，使得原料中的杂质相(如TiN)发生一系列的化学反应向目标产物发生转变，从而提高了反应产物的纯度(最终制得二硼化钛的纯度可以达到99.5％以上)。
下面结合实施例进一步说明本发明的纳米二硼化钛粉体的制备方法。
实施例1
纳米二硼化钛粉体的制备，步骤如下：
步骤一、制备二硼化钛粗粉
按照重量比为1：3：2取硝酸钛、镁粉、三溴化硼置于密封的高压反应釜中，于260℃下反应3小时，反应产物经过酸洗涤除去杂质、过滤、干燥获得二硼化钛粗粉，粗粉中含部分氮化钛杂质。
步骤二、球磨制备纳米二硼化钛粉体
将装有二硼化钛粗粉和助磨剂乙二醇(两者重量比为1：1)的球磨罐放入到等离子体球磨机中，设置好转速400转/分钟和球磨时间4小时后进行球磨处理。
待球磨结束后，取出反应产物并通过分级处理即可得到不同粒度分布的二硼化钛纳米粉体。
实施例2
纳米二硼化钛粉体的制备，步骤如下：
步骤一、制备二硼化钛粗粉
按照重量比为1：5：3取硝酸钛、镁粉、三溴化硼置于密封的高压反应釜中，于220℃下反应4小时，反应产物经过酸洗涤除去杂质、过滤、干燥获得二硼化钛粗粉，粗粉中含部分氮化钛杂质。
步骤二、球磨制备纳米二硼化钛粉体
将装有二硼化钛粗粉和助磨剂乙二醇(两者重量比为1：1)的球磨罐放入到等离子体球磨机中，设置好转速600转/分钟和球磨时间8小时后进行球磨处理。
待球磨结束后，取出反应产物并通过分级处理即可得到不同粒度分布的二硼化钛纳米粉体。
实施例3
纳米二硼化钛粉体的制备，步骤如下：
步骤一、制备二硼化钛粗粉
按照重量比为1：4：2取硝酸钛、镁粉、三溴化硼置于密封的高压反应釜中，于295℃下反应1小时，反应产物经过酸洗涤除去杂质、过滤、干燥获得二硼化钛粗粉，粗粉中含部分氮化钛杂质。
步骤二、球磨制备纳米二硼化钛粉体
将装有二硼化钛粗粉和助磨剂乙二醇(两者重量比为1：1)的球磨罐放入到等离子体球磨机中，设置好转速500转/分钟和球磨时间12小时后进行球磨处理。
待球磨结束后，取出反应产物并通过分级处理即可得到不同粒度分布的二硼化钛纳米粉体。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种纳米二硼化钛粉体的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一、制备二硼化钛粗粉
按照重量比为1：3～5：2～3取硝酸钛、镁粉、三溴化硼置于密封的高压反应釜中，于200～300℃下反应1～5小时，反应产物经过酸洗涤除去杂质、过滤、干燥获得二硼化钛粗粉，粗粉中含部分氮化钛杂质；
步骤二、球磨制备纳米二硼化钛粉体
将装有二硼化钛粗粉和助磨剂乙二醇的球磨罐放入到等离子体球磨机中，二硼化钛粗粉和助磨剂乙二醇重量比为1：1，设置好转速300～600转/分钟和球磨时间12小时后进行球磨处理；
待球磨结束后，取出反应产物并通过分级处理即可得到不同粒度分布的二硼化钛纳米粉体。
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