CN1583560A - 气相合成的碳化钨纳米微晶及制备工艺 - Google Patents
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Abstract
一种气相合成的碳化钨纳米微晶及制备工艺，属于化工材料领域。其特征是工艺中采用以等离子体为环境的密闭反应容器中完成气相合成。所采用的基料为固体氯化钨、含碳气源，二者按1∶15－1∶25的比例注入反应器，在反应器中完成气相合成，并借助反应器内气流导向和自由沉降过程中急冷直接变成固态纳米粉体。反应器内借助调控等离子体发生器输出功率和氩气、氢气比例稳定离子弧，并保持反应温度在1200℃－1800℃之间，急冷细化的纳米粉体经后处理去除氯化物杂质生成高纯度纳米级的碳化钨微晶。由于该工艺方法简单易控制，得到的纳米颗粒纯度很高，同时特别适用于制备多组分、高熔点的化合物粉料。
Description
一、技术领域
本发明气相合成的碳化钨纳米微晶及制备工艺属于一种无机碳化物的气相合成新工艺，属于化工材料领域。
二、技术背景
纳米材料的开发和应用是80年代发展起来的一项高新技术。由于纳米粒子有很多优良特性，可以改造传统产业：如符合材料，涂料，橡胶，颜料，陶瓷，化妆品，环保材料等，可以大大提高产品性能，使产品增值。由于产品性能优异，在我国进入WTO后，产品质量可向世界挑战，故具有重大意义。
纳米碳化钨微晶是硬质合金，耐磨材料，切削刀具材料及光学材料的理想基料。在新材料领域中以其不可替代的技术性能占据重要的地位，是发展高新技术产业的基础材料，因而越来越受到世界各国的普遍重视。目前，生产高纯度，纳米碳化钨微晶的方法从理论上讲可划分为三中：其一，将钨的氧化物和碳的混合物压实，放在电弧炉或碳管炉中加热到1900-2000℃，反应物的中心是碳化钨，周围多为钨的低价氧化物，产物经粉碎得到碳化钨粉，产品中含有杂质，使其纯度大受影响。其二，是将钨粉与活性碳粉混合，在高能球磨机中混合球磨，制取碳化钨粉，其产品的粒度不均匀，含有杂质。其三，将易于水解的钨化合物在某种溶剂中与水或其他物质发生反应，经水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经干燥，煅烧和还原等后处理得到所需的粉末。以上方法生产的碳化钨粉末粒度不均匀，杂质含量高，甚至达不到纳米级，从而影响最终产品的质量。
三、发明内容
本发明的目的在于找出一个适用于工业化生产碳化钨的新工艺，使其不但能保证纳米级，高纯度的技术要求，而且设备投资小，操作简便，成本低廉，易于使碳化钨纳米粉末具有合理的性能及价格而启动其应用市场。
为实现颗粒达到纳米级，本发明的着眼点是对气相合成法工艺的改进，其关键点在于气相合成工艺中选取等离子体为环境，使气相合成在密闭的设置有等离子体的反应器内完成。他是利用等离子体产生的超高温激发气体发生反应，同时利用等离子体高温区与周围环境形成的巨大的温度梯度，通过急冷作用得到纳米颗粒。具体特点如下：
本发明气相合成的碳化钨纳米微晶，其特征在于，以等离子体为环境，采用含碳气源和固体氯化钨为基本原料，在密闭反应容器中气相合成，再经热处理后获得的高纯度的纳米碳化钨微晶材料。其碳含量为1％--20％，钨含量为99％--80％。平均粒径为20-80nm，形状为球形或近球形。
上述权利要求1的气相合成的碳化钨纳米微晶的制备工艺，其特征在于，在等离子体环境条件下，采用气相合成法合成碳化钨纳米微晶的工艺，该工艺采用含碳气源和固体氯化钨为基本原料，在由等离子体发生器来提供的特殊环境，即合成碳化钨时的等离子体温度设定为1200-1800℃之间，温度的调整借助于等离子体发生器输出的功率和稳弧气体氩气、氢气的比例的调节完成的，氩气与氢气的比例为：1∶1-1∶30.；采用固体氯化钨作为钨源，并且固体氯化钨的汽化条件为：300-500℃，压力保持0.5-1.0Mpa；固态原料的蒸发与定量传输，将含碳气源和固体氯化钨，按重量比1∶15--1∶25分别置入蒸发器内，转化为气态后注入等离子反应器。保持反应器负压为60-120cm水柱，在上述条件下完成反应，将产生的反应生成物引入具有一定温度梯度的急冷沉降器，经过急冷沉降室的急冷细化后得到纳米碳化钨微晶。
上述的气相合成的碳化钨纳米微晶的制备工艺，其特征在于急冷沉降器内的温度梯度借助于双夹层沉降器壁中自下而上的高压循环水冷实现。
使用等离子体气相合成法的优势恰恰在于用等离子体辅助使气相合成反应速度快而均匀，产品纯度高。如果能准确的控制温度和反应时间就可以获得高质量和低能耗的合成工艺。在普通环境下的合成中虽然可以实现，但却无法达到纳米级，且无法控制成本，只有利用等离子体为环境才可能实现温度控制准确，加热速度快，大温度梯度，反应气氛可调等特殊的工艺环境，实现合成速度快的同时合成物晶粒增长受到内外温度梯度差大的抑制作用明显，纯度高，粒度小，热损失小。因而选择等离子体为环境的反应器是本发明的关键。将合成的气相原料准确的注入热反应器内，控制适当的工艺条件，即可以将平时工艺流程中几十分钟甚至几小时的合成反应在千分之几秒内完成。生成物借助反应器内气流导向和重力自动脱离等离子体为中心的热反应区进入自由沉降区急冷收集，从而形成一个连续化生产的工艺过程。由于该法易控制，可以得到很高纯度的纳米颗粒，它也特别适用于多组分、高熔点的化合物。
四具体实施方式
实施方式1：
在反应器负压60cm水柱，等离子功率6kw，WCl6的汽化温度300℃的，压力0.5Mpa，乙炔的流量10l/min，固体氯化钨50g/min，氢气30l/min，氩气30l/min的条件下，把WCl6，C2H2，H2通入反应器中进行反应，经过急冷细化后得到纳米碳化钨微晶，其碳含量为1％，钨含量为99％。平均粒径为20nm，形状为球形或近球形。
实施方式2：反应器负压95cm水柱，等离子功率10kw，汽化温度400℃，压力1.0Mpa，乙炔的流量15l/min，固体氯化钨85g/min，氢气400l/min，氩气40l/min。得到纳米碳化钨微晶，其碳含量为10％，钨含量为90％。平均粒径为50nm，形状为球形或近球形。
实施方式3：反应器负压120cm水柱，等离子功率15kw，汽化温度500℃，压力1.5Mpa，乙炔的流量20l/min，固体氯化钨110g/min，氢气1500l/min，氩气50l/min。得到纳米碳化钨微晶，其碳含量为20％，钨含量为80％。平均粒径为80nm，形状为球形或近球形。
根据以上工艺制取的碳化钨纯度可大于96％，游离硅含量小于1.3％，总氧量小于1.5％，平均粒度20-80nm，比表面积大于20m2/g，其碳含量为1％--20％，钨含量为99％--80％，形状为球形或近球形。而整体造价成本有明显的商业价值，而且设备投资小，工艺简单，操作方便，能源低耗，特别技术指标上的突破，为纳米碳化钨的商业市场打开了广阔的前景。
Claims (3)
1.气相合成的碳化钨纳米微晶，其特征在于，是以等离子体为环境，采用含碳气源和固体氯化钨为基本原料，在密闭反应容器中气相合成，再经热处理后获得的高纯度的纳米碳化钨微晶材料。其碳含量为1％--20％，钨含量为99％--80％。平均粒径为20-80nm，形状为球形或近球形。
2.根据权利要求1所述的气相合成的碳化钨纳米微晶的制备工艺，其特征在于，在等离子体环境条件下，采用气相合成法合成碳化钨纳米微晶的工艺，该工艺采用含碳气源和固体氯化钨为基本原料，在由等离子体发生器来提供的特殊环境，即合成碳化钨时的等离子体温度设定为1200-1800℃之间，温度的调整借助于等离子体发生器输出的功率和稳弧气体氩气、氢气的比例的调节完成的，氩气与氢气的比例为：1∶1-1∶30；采用固体氯化钨作为钨源，并且固体氯化钨的汽化条件为：300-500℃，压力保持0.5-1.0Mpa；固态原料的蒸发与定量传输，将含碳气源和固体氯化钨，按重量比1∶15--1∶25分别置入蒸发器内，转化为气态后注入等离子反应器；保持反应器负压为60-120cm水柱，在上述条件下完成反应，将产生的反应生成物引入具有一定温度梯度的急冷沉降器，经过急冷沉降室的急冷细化后得到纳米碳化钨微晶。
3.根据权利要求2所说的气相合成的碳化钨纳米微晶的制备工艺，其特征在于急冷沉降器内的温度梯度借助于双夹层沉降器壁中自下而上的高压循环水冷实现。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN101818343A (zh) * | 2010-04-21 | 2010-09-01 | 广州有色金属研究院 | 一种含有球形碳化钨复合涂层的激光熔覆方法 |
| CN114799161A (zh) * | 2022-05-09 | 2022-07-29 | 中国科学院过程工程研究所 | 纳米碳化钨颗粒包覆金刚石工具用预合金粉末及制备方法 |
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