JP2008069062A - Titanium carbide or precursor of titanium carbide and mixture of carbon and its manufacturing method - Google Patents

Titanium carbide or precursor of titanium carbide and mixture of carbon and its manufacturing method Download PDF

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JP2008069062A JP2006251086A JP2006251086A JP2008069062A JP 2008069062 A JP2008069062 A JP 2008069062A JP 2006251086 A JP2006251086 A JP 2006251086A JP 2006251086 A JP2006251086 A JP 2006251086A JP 2008069062 A JP2008069062 A JP 2008069062A
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titanium carbide
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carbon
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Satoru Ishihara
知 石原
Satoyuki Nishimura
聡之 西村
Hidehiko Tanaka
英彦 田中
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National Institute for Materials Science
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new precursor which can be manufactured simply without passing through complicated synthesis processes, and can be converted to titanium carbide or a mixture of titanium carbide and carbon by calcinating. <P>SOLUTION: The precursor of titanium carbide or a mixture of titanium carbide and carbon is characterized by comprising reaction products of an alcoxide of titanium or titanium chloride and phenol or a phenol compound. The precursor can be manufactured by mixing an alcoxide of titanium or titanium chloride and phenol or a phenol compound, to thereby form a solution or slurry, or by mixing an alcoxide of titanium or titanium chloride and phenol or a phenol compound in an organic solvent, to thereby form a solution or slurry. The titanium carbide or the mixture of the titanium carbide and carbon can be manufactured by calcinating the solid precursor which is prepared by drying the solution or slurry, to thereby effect a carbonization reaction. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、煩雑な合成工程を経ることなく簡便に製造でき、焼成することで炭化チタン
、又は、炭化チタンと炭素の混合物に変化する、新規な前駆体、及び、その製造方法に関
する。
The present invention relates to a novel precursor that can be easily produced without going through complicated synthesis steps, and changes to titanium carbide or a mixture of titanium carbide and carbon by firing, and a method for producing the same.

炭化チタン(TiC)は、高融点、高硬度、化学的安定性の特長があり、切削工具等の
原料や耐熱高強度材料などとして利用されている。一般に、炭化チタン粉末の主な工業的
製造方法は、メンストラム法、メタル法、及び、オキサイド法の3種類が挙げられる(非
特許文献1)。
Titanium carbide (TiC) has features of a high melting point, high hardness, and chemical stability, and is used as a raw material for cutting tools, heat resistant high strength materials, and the like. In general, there are three main industrial production methods for titanium carbide powder: a menstral method, a metal method, and an oxide method (Non-Patent Document 1).

メンストラム法は、McKenna法、又は、特殊溶浸法ともいわれ、チタンの金属粉末又は
合金粉末を鉄粉末、ニッケル粉末などとともに、過剰の炭素を混合して加熱処理を行い、
溶融金属中に炭化チタンを析出させ、これを冷却後、塩酸などによる酸処理によって、炭
化チタン以外の金属成分を溶解除去することにより得る方法である。この方法により、単
結晶の炭化チタン粉末が得られるといった特長もあるが、一般に100μm程度の粗大な
粉末となり、微細な炭化チタン粉末が必要な場合には、ボールミルなどによる機械的粉砕
が必要となる。
The Menstral method is also called McKenna method or special infiltration method, and heat treatment is performed by mixing excess carbon with titanium metal powder or alloy powder together with iron powder, nickel powder, etc.
This is a method obtained by precipitating titanium carbide in the molten metal, cooling it, and then dissolving and removing metal components other than titanium carbide by acid treatment with hydrochloric acid or the like. This method has a feature that a single crystal titanium carbide powder can be obtained, but generally becomes a coarse powder of about 100 μm, and when a fine titanium carbide powder is required, mechanical grinding by a ball mill or the like is required. .

メタル法は、金属チタン又は水素化チタンの粉末に炭素粉末を所定量混合し、加熱して
炭化させることにより炭化チタン粉末を得る方法である。この方法では、メンストラム法
より微細な粉末が得られやすいが、微細な粉末が必要な場合には、原料の金属チタン粉末
又は水素化チタン粉末を粉砕しておく必要がある。また、金属チタン粉末は高価であり、
高い反応性のために着火や爆発の可能性もあり、取り扱いに注意を要する。水素化チタン
粉末を原料として用いた場合には、反応により多量の水素ガスが生成し、操業上注意を要
する。
The metal method is a method of obtaining a titanium carbide powder by mixing a predetermined amount of a carbon powder with a powder of metal titanium or titanium hydride, and heating and carbonizing the powder. In this method, a finer powder is more easily obtained than in the menstrual method. However, when a fine powder is required, it is necessary to pulverize the raw metal titanium powder or titanium hydride powder. Also, titanium metal powder is expensive,
Due to its high reactivity, it may ignite or explode, requiring caution when handling. When titanium hydride powder is used as a raw material, a large amount of hydrogen gas is generated by the reaction, which requires careful operation.

オキサイド法は、酸化チタンの粉末に炭素粉末を所定量混合し、加熱して、還元炭化反
応により炭化チタン粉末を得る方法である。この方法では、金属チタンより安価な酸化チ
タンを原料として用いることができ、微細な粉末が得られやすいが、還元反応を伴うこと
から、メタル法より高温で加熱する必要がある。
The oxide method is a method in which a predetermined amount of carbon powder is mixed with titanium oxide powder and heated to obtain titanium carbide powder by a reduction carbonization reaction. In this method, titanium oxide which is cheaper than titanium metal can be used as a raw material, and a fine powder can be easily obtained. However, since this involves a reduction reaction, it is necessary to heat at a higher temperature than the metal method.

最近では、金属チタン粉末及び炭素粉末を強力ボールミル中において外部から加熱する
ことなく、混合粉砕することにより、チタンと炭素間に衝撃や摩擦等の膨大な機械的エネ
ルギーによって、急激な燃焼反応を生成させるメカノケミカル合成方法が報告されている
。しかし、一般に、メカノケミカル反応には長時間を要する。そこで、より短時間で反応
を完了させるために、原料にカルシウム又はマグネシウムの粉末を混合する方法が開示さ
れている(特許文献1)。しかしながら、この方法では、酸化カルシウム又は酸化マグネ
シウムが副生成物として生成した炭化チタン粉末に混在し、これらを酸処理により除去す
る必要がある。
Recently, by mixing and grinding metal titanium powder and carbon powder in a powerful ball mill without external heating, an abrupt combustion reaction is generated between titanium and carbon due to enormous mechanical energy such as impact and friction. A mechanochemical synthesis method has been reported. However, in general, the mechanochemical reaction takes a long time. Therefore, a method of mixing calcium or magnesium powder with a raw material in order to complete the reaction in a shorter time is disclosed (Patent Document 1). However, in this method, calcium oxide or magnesium oxide is mixed in the titanium carbide powder produced as a by-product, and these must be removed by acid treatment.

微細な炭化物粉末を作製するために、原料として有機化合物を用い、気相反応又は液相
反応による合成技術が進展している。気相反応を応用したプロセスは、高純度で微細な粉
末が得られ易いという特長があるが、生産性が低いという問題がある。一方、液相反応を
応用したプロセスとして、たとえば、チタンのアルコキシド中に微粉末状炭素を分散させ
た後、加水分解して沈殿物を生成し、この沈殿物を前駆体として還元炭化反応を生じさせ
る加熱処理により炭化チタン粉末に変換する方法が開示されている(特許文献2)。しか
しながら、この手法では、微粉末状炭素が均一にアルコキシド中に分散する必要があり、
そのため、微粉末状炭素の表面を親水性基有する状態に表面処理する必要がある場合が
ある。
In order to produce a fine carbide powder, an organic compound is used as a raw material, and a synthesis technique by a gas phase reaction or a liquid phase reaction is progressing. A process using a gas phase reaction has a feature that high-purity and fine powder can be easily obtained, but has a problem of low productivity. On the other hand, as a process applying liquid phase reaction, for example, finely powdered carbon is dispersed in titanium alkoxide, and then hydrolyzed to produce a precipitate, and this precipitate is used as a precursor to cause a reduction carbonization reaction. A method of converting into titanium carbide powder by heat treatment is disclosed (Patent Document 2). However, this technique requires that finely divided carbon be uniformly dispersed in the alkoxide,
Therefore, it may be necessary to surface-treat the surface of finely powdered carbon to a state having a hydrophilic group.

化学組成がより均一な前駆体を作製する技術として、原料に液状物質を用いる方法が開
発されている。たとえば、チタニウムブトキシドとフルフリルアルコールを原料として前
駆体を合成する方法(非特許文献2)、及び、チタニウムテトライソプロポキシドとエス
テル化合物を原料として前駆体を合成する方法(非特許文献3)が報告されている。しか
し、これらの合成方法では、時間を要する還流や蒸留の工程が必要である。
As a technique for producing a precursor having a more uniform chemical composition, a method using a liquid material as a raw material has been developed. For example, there are a method of synthesizing a precursor using titanium butoxide and furfuryl alcohol (Non-patent Document 2) and a method of synthesizing a precursor using titanium tetraisopropoxide and an ester compound (Non-patent Document 3). It has been reported. However, these synthesis methods require time-consuming reflux and distillation steps.

また、チタン塩化物水溶液及び水溶性有機化合物を原料とし、チタン塩化物を加水分解
反応又は中和反応により水酸化チタンに変換し、乾燥及び加熱により炭化チタン粉末に変
換する方法が開示されている(特許文献3)。この方法では、水酸化チタンは水溶液中に
おいて微粒子として生成することができるのに対し、炭素源となる有機化合物は乾燥によ
り固化する。そのため、水酸化チタンの微粒子が水溶液中に均一に分散していたとしても
、乾燥の段階で凝集現象などにより、水酸化チタンと有機化合物の分散が不均一になる可
能性がある。
Also disclosed is a method in which titanium chloride aqueous solution and water-soluble organic compound are used as raw materials, titanium chloride is converted into titanium hydroxide by hydrolysis reaction or neutralization reaction, and converted to titanium carbide powder by drying and heating. (Patent Document 3). In this method, titanium hydroxide can be produced as fine particles in an aqueous solution, while the organic compound serving as a carbon source is solidified by drying. Therefore, even if the fine particles of titanium hydroxide are uniformly dispersed in the aqueous solution, the dispersion of titanium hydroxide and the organic compound may become non-uniform due to an agglomeration phenomenon or the like at the drying stage.

特開2002−187711号公報JP 2002-187711 A 特開昭61−232212号公報Japanese Patent Laid-Open No. 61-232212 特開平5−170418号公報JP-A-5-170418 土井博司:微粒子工学大系II巻応用技術(2002), 46-49.Hiroshi Doi: Advanced Technology of Fine Particles Volume II, Applied Technology (2002), 46-49. Z. Jiang and W. E. Rhine:Chem. Mater., 3 (1991), 1132-1137.Z. Jiang and W. E. Rhine: Chem. Mater., 3 (1991), 1132-1137. K. Thorne他:J. Mater. Sci., 27 (1992), 4406-4414.K. Thorne et al .: J. Mater. Sci., 27 (1992), 4406-4414.

本発明は、煩雑な合成工程を経ることなく簡便に製造でき、焼成することで炭化チタン
、又は、炭化チタンと炭素の混合物に変化する、新規な前駆体を提供することを目的とす
る。
An object of this invention is to provide the novel precursor which can be simply manufactured without going through a complicated synthesis process and changes into titanium carbide or a mixture of titanium carbide and carbon by firing.

本発明者は、炭化チタンの合成プロセスを詳細に検討した結果、チタンのアルコキシド
又は塩化チタン、及び、フェノール又はフェノール化合物を混合することにより反応生成
物が得られ、該生成物を前駆体として焼成して炭化反応を生じさせることにより、炭化チ
タン、又は、炭化チタンと炭素の混合物を作製できることを見出した。
As a result of examining the titanium carbide synthesis process in detail, the inventor obtained a reaction product by mixing titanium alkoxide or titanium chloride, and phenol or a phenol compound, and calcined using the product as a precursor. It has been found that titanium carbide or a mixture of titanium carbide and carbon can be produced by causing a carbonization reaction.

すなわち、本発明における前駆体は、チタンのアルコキシド又は塩化チタン、及び、フ
ェノール又はフェノール化合物との反応生成物からなることを特徴とするものである。ま
た、本発明による前駆体の製造方法は、チタンのアルコキシド又は塩化チタン、及び、フ
ェノール又はフェノール化合物を混合して溶液又はスラリーを生じさせることを特徴とす
るものである。
That is, the precursor in the present invention is characterized by comprising a reaction product of titanium alkoxide or titanium chloride and phenol or a phenol compound. The precursor production method according to the present invention is characterized in that a solution or slurry is produced by mixing titanium alkoxide or titanium chloride, and phenol or a phenol compound.

本発明では、チタンのアルコキシド又は塩化チタン、及び、フェノール又はフェノール
化合物を原料として用いる。また、混合によって生じる反応が混合液全体において均一に
進行するために、これらを有機溶媒中で混合することが望ましい。ここで、有機溶媒中で
混合する方法として、有機溶媒にチタンのアルコキシド又は塩化チタン、及び、フェノー
ル又はフェノール化合物を混合する方法はもちろんのこと、有機溶媒に希釈したチタンの
アルコキシド又は塩化チタン、及び、有機溶媒に希釈したフェノール又はフェノール化合
物を混合する方法でもよい。
In the present invention, titanium alkoxide or titanium chloride, and phenol or a phenol compound are used as raw materials. Moreover, in order for the reaction which arises by mixing to advance uniformly in the whole liquid mixture, it is desirable to mix these in an organic solvent. Here, as a method of mixing in an organic solvent, not only a method of mixing an alkoxide or titanium chloride of titanium and a phenol or a phenol compound in an organic solvent, but also an alkoxide or titanium chloride of titanium diluted in an organic solvent, and Alternatively, a method of mixing a diluted phenol or phenol compound in an organic solvent may be used.

ここで、チタンのアルコキシドについては、アルコキシル基の種類を問わない。アセト
酢酸エチルなどによるキレート化などの処理を施したアルコキシドであってもよい。塩化
チタンとしては、四塩化チタンが好ましい。また、フェノール化合物としては種類を問わ
ないが、液状のレゾール型フェノール樹脂オリゴマーが好適である。固体のフェノール樹
脂、あるいは、他のフェノール化合物であっても、溶媒に可溶なものであれば用いること
ができる。
Here, about the alkoxide of titanium, the kind of alkoxyl group is not ask | required. It may be an alkoxide subjected to a treatment such as chelation with ethyl acetoacetate. As titanium chloride, titanium tetrachloride is preferable. Moreover, although a kind is not ask | required as a phenol compound, a liquid resol type phenol resin oligomer is suitable. Even a solid phenol resin or another phenol compound can be used as long as it is soluble in a solvent.

有機溶媒としては、用いるアルコキシド又は塩化チタン、及び、フェノール又はフェノ
ール化合物と均一に混合されるものであれば種類を問わないが、その中でも、メタノール
、エタノール、イソプロピルアルコールなどの低級アルコールが望ましい。ただし、チタ
ンのアルコキシド又は塩化チタンの加水分解が生じないように、水分をできるだけ含まな
いものが望ましい。
The organic solvent is not particularly limited as long as it is uniformly mixed with the alkoxide or titanium chloride to be used and phenol or a phenol compound, and among them, lower alcohols such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol are preferable. However, it is desirable to contain as little water as possible so that hydrolysis of titanium alkoxide or titanium chloride does not occur.

チタンのアルコキシドは、チタンあるいは塩化チタンを原料として、アルコールと反応
させることにより製造される。そのため、単体のアルコキシドを得るためには、未反応の
アルコール分を分離精製する工程が必要である。しかし、本発明においては、アルコール
で希釈したアルコキシドも用いることができるため、未反応のアルコールを分離精製して
いないアルコキシドを用いることにより、コスト的に有利となる。
Titanium alkoxide is produced by reacting titanium or titanium chloride as a raw material with alcohol. Therefore, in order to obtain a single alkoxide, a step of separating and purifying unreacted alcohol is necessary. However, in the present invention, an alkoxide diluted with an alcohol can also be used. Therefore, it is advantageous in terms of cost to use an alkoxide from which unreacted alcohol has not been separated and purified.

本発明におけるチタンのアルコキシド又は塩化チタン、及び、フェノール又はフェノー
ル化合物の混合による反応は、加熱しなくても混合のみで自発的に進行し、時間を要する
還流や蒸留の操作も不要である。この反応は、アルコキシド又は塩化チタンによるフェノ
ール又はフェノール化合物の縮合と考えられる。したがって、アルコキシド又は塩化チタ
ンの加水分解に基づくものではないために、水を添加しなくても迅速に生じる。
The reaction by mixing the titanium alkoxide or titanium chloride and the phenol or the phenol compound in the present invention proceeds spontaneously only by mixing without heating, and does not require time-consuming refluxing or distillation operations. This reaction is considered to be the condensation of phenol or a phenol compound with alkoxide or titanium chloride. Therefore, it occurs rapidly without the addition of water because it is not based on hydrolysis of alkoxide or titanium chloride.

混合に際しては十分に撹拌することが望ましい。混合によりただちに黄色ないし赤色の
溶液となるか、黄色の生成物がアルコキシドから分解したアルコールとともに生じる。チ
タンのアルコキシド又は塩化チタンとフェノール化合物を有機溶媒中で混合した場合には
、生成物が黄色の粒子となり、混合液全体が黄色ないし赤色のスラリーとなる。このよう
な粒子が混合によって直接析出できるために、混合条件を適切に選択することにより、粉
砕の工程を経ることなく、前駆体粉末として作製することができる。
It is desirable to sufficiently stir during mixing. Mixing immediately results in a yellow to red solution, or a yellow product is formed with the alcohol decomposed from the alkoxide. When titanium alkoxide or titanium chloride and a phenol compound are mixed in an organic solvent, the product becomes yellow particles, and the entire mixture becomes a yellow or red slurry. Since such particles can be directly deposited by mixing, the powder can be prepared as a precursor powder without going through a pulverizing step by appropriately selecting the mixing conditions.

このスラリーをろ過、乾燥など、溶媒を除去する工程を経て前駆体粉末として得ること
ができる。なお、デカンテーションなどにより、未反応の液体成分を取り除き、さらに、
アルコールなどで洗浄してから乾燥させることがより好ましい。ここで、溶媒を除去する
方法は問わない。加熱乾燥、真空乾燥、凍結乾燥などが選択できる。とくに噴霧乾燥法は
量産に適している。また、この混合溶液又はスラリーを所望の基板上で乾燥し、さらに、
後述するような適正な条件で焼成して炭化反応を生じさせることにより、基板上に炭化チ
タンの被膜を形成することも可能である。
This slurry can be obtained as a precursor powder through a step of removing the solvent, such as filtration and drying. The unreacted liquid component is removed by decantation, etc.
More preferably, it is washed with alcohol and then dried. Here, the method for removing the solvent does not matter. Heat drying, vacuum drying, freeze drying, etc. can be selected. The spray drying method is particularly suitable for mass production. Further, the mixed solution or slurry is dried on a desired substrate, and
It is also possible to form a titanium carbide coating on the substrate by firing under appropriate conditions as described below to cause a carbonization reaction.

本発明の前駆体を焼成して炭化反応を生じさせることにより、原料の混合割合に依存す
るC/Ti比にしたがって、炭化チタン、又は、炭化チタンと炭素の混合物に変換するこ
とができる。原料の種類にも依るが、炭化チタンを得る場合には混合比C/Tiを0.5
〜5の範囲内とすることが望ましい。
By firing the precursor of the present invention to cause a carbonization reaction, the precursor can be converted into titanium carbide or a mixture of titanium carbide and carbon in accordance with the C / Ti ratio depending on the mixing ratio of the raw materials. Depending on the type of raw material, when obtaining titanium carbide, the mixing ratio C / Ti is 0.5.
It is desirable to be within a range of ˜5.

ここで、C/Tiは、原料のチタンのアルコキシド又は塩化チタンのチタンモル数に対
するフェノール又はフェノール化合物の焼成後における炭素モル数の比を表している。予
備実験として、フェノール又はフェノール化合物の単体を完全に炭化するまで焼成し、そ
の前後の重量比から残炭率が求められる。原料として用いるフェノール又はフェノール化
合物の配合量から残炭率を考慮した上で重量からモル数に換算することで、焼成後の炭素
モル数を計算することができる。混合比C/Tiが0.5より小さい場合には、反応に寄
与しないチタンのアルコキシド又は塩化チタンが多くなるために前駆体の生成収率が低く
なり、混合比C/Tiが5より大きい場合には炭化チタンと炭素の混合物が得られる。
Here, C / Ti represents the ratio of the number of moles of carbon after firing of phenol or a phenol compound to the number of moles of titanium alkoxide of titanium or titanium chloride of titanium chloride. As a preliminary experiment, a simple substance of phenol or a phenol compound is fired until it is completely carbonized, and the residual carbon ratio is obtained from the weight ratio before and after that. The number of moles of carbon after firing can be calculated by converting the weight to the number of moles in consideration of the residual carbon ratio from the blending amount of phenol or phenol compound used as a raw material. When the mixing ratio C / Ti is less than 0.5, the amount of titanium alkoxide or titanium chloride that does not contribute to the reaction increases, resulting in a low yield of the precursor, and when the mixing ratio C / Ti is larger than 5. Provides a mixture of titanium carbide and carbon.

本発明の炭化チタンと炭素の混合物は、たとえば、TiC−MoC(炭化二モリブデ
ン)−Ni(ニッケル)系サーメットの原料として用いることができる。TiC−Mo
C−Ni系サーメットは、一般に、TiC、MoCの炭化物粉末と金属Ni粉を混合し
、焼結して作製されることが多いが、MoC粉末の代わりに金属モリブデン粉末と炭素
粉末を他の原料粉末とともに混合し、焼結することによっても、焼結処理中にモリブデン
の炭化反応が生じ、同様のサーメットを作製することができる。したがって、本発明の製
造方法を応用して、モリブデン粉末の配合量に応じた炭素量を含有する炭化チタンと炭素
の混合物を製造しておいて、これにモリブデンとニッケルの各金属粉末を混合し、焼結す
ることによって、TiC−MoC−Ni系サーメットを作製することができる。
The mixture of titanium carbide and carbon of the present invention can be used as a raw material for TiC—Mo 2 C (dimolybdenum carbide) —Ni (nickel) cermet, for example. TiC-Mo 2
C-Ni-based cermets are generally produced by mixing and sintering TiC, Mo 2 C carbide powder and metal Ni powder, but instead of Mo 2 C powder, metal molybdenum powder and carbon powder are used. Also by mixing together with other raw material powders and sintering, molybdenum carbonization reaction occurs during the sintering process, and a similar cermet can be produced. Therefore, by applying the manufacturing method of the present invention, a mixture of titanium carbide and carbon containing a carbon amount corresponding to the blending amount of the molybdenum powder is prepared, and each metal powder of molybdenum and nickel is mixed with this. By sintering, a TiC—Mo 2 C—Ni-based cermet can be produced.

本発明の前駆体の焼成の雰囲気としては、アルゴン(Ar)など不活性雰囲気が好まし
い。酸化性雰囲気では、炭化反応が阻害され、炭化チタンではなく、チタン酸化物などが
形成される。ここで、焼成とは、加熱により有機質の前駆体が無機質に変換し、さらにチ
タンの炭化反応を生じさせる操作をいう。この前駆体における有機質から無機質への変換
反応は200℃程度から始まり、通常500〜800℃で終了する。したがって、焼成温
度条件として、500℃以上の加熱が必要であるが、目的とする炭化チタン粉末の特性に
応じて任意に選択できる。炭化物が形成する反応は、温度が高いほど短時間で完了するが
、温度が高くなると粉末粒子の粗大化が生じやすい。一般には、1200〜1600℃が
好ましい。一度に処理する試料全体において反応が完了するように、設定温度に昇温した
後、処理量に応じて5分間から2時間程度保持することが望ましい。
The atmosphere for firing the precursor of the present invention is preferably an inert atmosphere such as argon (Ar). In an oxidizing atmosphere, the carbonization reaction is inhibited, and titanium oxide is formed instead of titanium carbide. Here, calcination refers to an operation in which an organic precursor is converted into an inorganic substance by heating and further causes a carbonization reaction of titanium. The conversion reaction from organic to inorganic in this precursor starts from about 200 ° C. and usually ends at 500 to 800 ° C. Therefore, although heating at 500 ° C. or higher is necessary as the firing temperature condition, it can be arbitrarily selected according to the characteristics of the target titanium carbide powder. The reaction formed by the carbide is completed in a shorter time as the temperature is higher, but the powder particles are likely to become coarser as the temperature is higher. Generally, 1200-1600 degreeC is preferable. After raising the temperature to the set temperature so that the reaction is completed in the entire sample to be processed at one time, it is desirable to hold for about 5 minutes to 2 hours depending on the processing amount.

5.7gの液状フェノール樹脂オリゴマー(大日本インキ化学工業株式会社、J-325
:樹脂成分が60%、残りメチルアルコール溶媒)を40gのエタノールに加えて希釈し
た。一方、30gのチタニウムテトライソプロポキシドを300gのエタノールに加えて
希釈した。このチタニウムテトライソプロポキシドの希釈液をマグネチックスターラーで
撹拌しながら、前述のフェノール樹脂オリゴマーの希釈液を滴下し、混合液を形成した。
なお、この場合の炭素とチタンの混合比は、C/Ti=1に相当する。
5.7 g of liquid phenol resin oligomer (Dainippon Ink and Chemicals, J-325
: 60% resin component, remaining methyl alcohol solvent) was added to 40 g of ethanol and diluted. Meanwhile, 30 g of titanium tetraisopropoxide was added to 300 g of ethanol for dilution. While diluting this titanium tetraisopropoxide dilute with a magnetic stirrer, the dilute solution of the aforementioned phenol resin oligomer was added dropwise to form a mixed solution.
In this case, the mixing ratio of carbon and titanium corresponds to C / Ti = 1.

その結果、滴下とともに直ちに粒子が混合液中に析出し、混合液は黄色のスラリーとな
った。このスラリーを静置して析出物を沈降させた後、上澄液を流し去るデカンテーショ
ンを行った。さらに、エタノールを加えて撹拌、及び、同様のデカンテーションを2回繰
り返すことにより、析出物を洗浄した。もう一度、デカンテーションを行い、析出物を5
0〜60℃で乾燥させることにより、黄色の粉末が得られた。
As a result, the particles immediately precipitated in the mixed solution as the solution was dropped, and the mixed solution became a yellow slurry. The slurry was allowed to stand to settle the precipitate, and then decantation was performed to drain off the supernatant. Further, the precipitate was washed by adding ethanol and stirring and repeating the same decantation twice. Decant once again and deposit 5
A yellow powder was obtained by drying at 0 to 60 ° C.

この粉末の走査型電子顕微鏡写真を図1に示す。この写真から、凝集や部分的な粒子結
合があるものの、一次粒子径が概ね100nm以下の微細な粉末であることがわかる。ま
た、この粉末のX線回折図形を図2-a)に示す。X線回折図形には、明瞭な結晶性の回
折ピークは認められず、この粉末は、非晶質構造からなることが考えられる。
A scanning electron micrograph of this powder is shown in FIG. From this photograph, it can be seen that the powder is a fine powder having a primary particle diameter of approximately 100 nm or less, although there is aggregation and partial particle bonding. The X-ray diffraction pattern of this powder is shown in FIG. In the X-ray diffraction pattern, no clear crystalline diffraction peak is observed, and this powder is considered to have an amorphous structure.

この粉末を前駆体として、アルゴン雰囲気中で1400℃まで10℃/分で昇温し、1
時間保持した。この粉末のX線回折図形を図2-b)に示す。X線回折図形は、明瞭な立
方晶TiC相の回折ピークを示している。
Using this powder as a precursor, the temperature was raised to 1400 ° C. at 10 ° C./min in an argon atmosphere.
Held for hours. The X-ray diffraction pattern of this powder is shown in Fig. 2-b). The X-ray diffraction pattern shows a clear cubic TiC phase diffraction peak.

混合比がC/Ti=3、C/Ti=6、及び、C/Ti=10となるように、チタニウ
ムテトライソプロポキシドとフェノール樹脂オリゴマーを秤量し、実施例1と同様な操作
で各々前駆体粉末を作製した。さらに、各々の前駆体粉末をアルゴン雰囲気中で1400
℃まで10℃/分で昇温し、1時間保持する焼成処理を施した。各焼成粉末における炭素
量の分析結果を図3に示す。
Titanium tetraisopropoxide and a phenol resin oligomer were weighed so that the mixing ratio was C / Ti = 3, C / Ti = 6, and C / Ti = 10, and each precursor was obtained by the same operation as in Example 1. A body powder was prepared. Furthermore, each precursor powder was 1400 in an argon atmosphere.
The temperature was increased to 10 ° C. at a rate of 10 ° C./min, and a baking treatment was performed for 1 hour. The analysis result of the carbon content in each calcined powder is shown in FIG.

混合比がC/Ti=1、及び、C/Ti=3の場合には、炭素量は化学量論組成の20
wt%に近く、ほぼ単相の炭化チタン粉末が得られていることがわかる。これに対し、C
/Ti=6、及び、C/Ti=10の場合には、C/Ti比が高いほど炭素量が増加し、
炭化チタンと炭素の混合粉末が得られていることがわかる。
When the mixing ratio is C / Ti = 1 and C / Ti = 3, the carbon amount is 20 of the stoichiometric composition.
It can be seen that a nearly single-phase titanium carbide powder is obtained near wt%. In contrast, C
In the case of / Ti = 6 and C / Ti = 10, the higher the C / Ti ratio, the greater the carbon content.
It can be seen that a mixed powder of titanium carbide and carbon is obtained.

実施例1と同じ液状フェノール樹脂オリゴマー11gを40gのエタノールに加えて希
釈した。一方、5gの四塩化チタンを300gのエタノールに加えて希釈した。この四塩
化チタンの希釈液をマグネチックスターラーで撹拌しながら、前述のフェノール樹脂オリ
ゴマーの希釈液を滴下し、混合液を形成した。なお、この場合の炭素とチタンの混合比は
、C/Ti=12に相当する。
11 g of the same liquid phenol resin oligomer as in Example 1 was added to 40 g of ethanol and diluted. On the other hand, 5 g of titanium tetrachloride was diluted with 300 g of ethanol. While stirring the diluted solution of titanium tetrachloride with a magnetic stirrer, the diluted solution of the phenol resin oligomer described above was added dropwise to form a mixed solution. In this case, the mixing ratio of carbon and titanium corresponds to C / Ti = 12.

その結果、滴下とともに直ちに粒子が混合液中に析出し、混合液は黄赤色のスラリーと
なった。このスラリーを静置して析出物を沈降させた後、上澄液を流し去るデカンテーシ
ョンを行った。さらに、エタノールを加えて撹拌、及び、同様のデカンテーションを2回
繰り返すことにより、析出物を洗浄した。もう一度、デカンテーションを行い、析出物を
50〜60℃で乾燥させることにより、黄色の粉末が得られた。
As a result, particles were immediately deposited in the mixed solution as it was dropped, and the mixed solution became a yellow-red slurry. The slurry was allowed to stand to settle the precipitate, and then decantation was performed to drain off the supernatant. Further, the precipitate was washed by adding ethanol and stirring and repeating the same decantation twice. Decantation was performed once again, and the precipitate was dried at 50 to 60 ° C. to obtain a yellow powder.

この粉末の走査型電子顕微鏡写真を図4に示す。この写真から、凝集や部分的な粒子結
合があるものの、一次粒子径が概ね200nm以下の微細な粉末であることがわかる。ま
た、この粉末のX線回折図形を図5-a)に示す。X線回折図形は、非晶質物質特有のハ
ローパターンを示している。
A scanning electron micrograph of this powder is shown in FIG. From this photograph, it can be seen that although there is aggregation and partial particle bonding, the powder is a fine powder having a primary particle diameter of approximately 200 nm or less. The X-ray diffraction pattern of this powder is shown in FIG. The X-ray diffraction pattern shows a halo pattern unique to an amorphous substance.

この粉末を前駆体として、アルゴン雰囲気中で1400℃まで10℃/分で昇温し、1
時間保持した。この粉末のX線回折図形を図5-b)に示す。X線回折図形は、ハローパ
ターン、及び、明瞭な立方晶TiC相の回折ピークの組み合わせからなることを示してい
る。このハローパターンは非晶質炭素によるものと考えられ、炭化チタンと炭素の混合粉
末が生成していることを示している。
Using this powder as a precursor, the temperature was raised to 1400 ° C. at 10 ° C./min in an argon atmosphere.
Held for hours. The X-ray diffraction pattern of this powder is shown in Fig. 5-b). The X-ray diffraction pattern shows a combination of a halo pattern and a clear diffraction peak of a cubic TiC phase. This halo pattern is thought to be due to amorphous carbon, indicating that a mixed powder of titanium carbide and carbon is produced.

実施例1及び3で作製した各前駆体粉末をFT−IRで測定して得られたスペクトルを
図5に示す。参照のために、フェノール樹脂のスペクトルも併せて示した。また、これら
のスペクトルにおける吸収帯の振動モードを解析した結果を表1にまとめた。
The spectrum obtained by measuring each precursor powder produced in Examples 1 and 3 by FT-IR is shown in FIG. For reference, the spectrum of the phenol resin is also shown. The results of analyzing the vibration modes of the absorption bands in these spectra are summarized in Table 1.

Figure 2008069062
Figure 2008069062

これらの吸収帯から、実施例で作製した各前駆体試料には、分子構造において芳香環が
含まれていると考えられる。また、Ti−O結合によると考えられる吸収が認められた。
[比較例]
From these absorption bands, it is considered that each precursor sample produced in the example contains an aromatic ring in the molecular structure. Moreover, the absorption considered to be based on a Ti-O bond was recognized.
[Comparative example]

ケイ素のアルコキシドであるエチルシリケート10gを、10gのエタノールに希釈し
た。この溶液に実施例1と同じ液状フェノール樹脂オリゴマーを3.4g加え、室温で撹
拌を続けたが、48時間経過後も混合溶液に析出物は生じなかった。このことから、本発
明のチタンのアルコキシド及びフェノール樹脂オリゴマーを混合することによる生成反応
は、任意のアルコキシドにおいてフェノール樹脂との間に生じる一般的なものではなく、
チタンのアルコキシドなど、特定の種類のアルコキシドにおいて生じるものであることが
わかる。
10 g of ethyl silicate which is an alkoxide of silicon was diluted with 10 g of ethanol. To this solution, 3.4 g of the same liquid phenol resin oligomer as in Example 1 was added and stirring was continued at room temperature, but no precipitate was generated in the mixed solution after 48 hours. From this, the formation reaction by mixing the alkoxide of titanium and the phenol resin oligomer of the present invention is not a general reaction that occurs between any alkoxide and the phenol resin,
It can be seen that it occurs in certain types of alkoxides, such as titanium alkoxides.

本発明における前駆体の製造方法は、原料の混合により室温でも極めて短時間の反応で
容易に析出が可能であるため、前駆体の製造に複雑な装置や多大なエネルギーを必要とせ
ず、量産に適している。また、本発明の前駆体は、有機溶媒中で撹拌混合することにより
、粉末として得ることができる。さらに、本発明の製造方法では、原料混合条件、乾燥条
件、及び、焼成条件を適切に選択することにより、微細粒径の炭化チタン粉末、又は、炭
化チタンと炭素の混合粉末を作製することが可能である。
The precursor production method of the present invention can be easily deposited in a very short reaction even at room temperature by mixing raw materials, and thus does not require complicated equipment and enormous energy for production of the precursor, so that mass production is possible. Is suitable. The precursor of the present invention can be obtained as a powder by stirring and mixing in an organic solvent. Furthermore, in the production method of the present invention, a titanium carbide powder having a fine particle diameter or a mixed powder of titanium carbide and carbon can be produced by appropriately selecting raw material mixing conditions, drying conditions, and firing conditions. Is possible.

実施例1で作製した前駆体粉末の図面代用走査型電子顕微鏡写真(スケールは100nm)。The drawing substitute scanning electron micrograph of the precursor powder produced in Example 1 (scale is 100 nm). 実施例1で作製した前駆体粉末(a)、及び、1400℃で焼成した粉末(b)のX線回折図形(○印は、立方晶TiC相の回折角を示す)。X-ray diffraction pattern of the precursor powder (a) produced in Example 1 and the powder (b) calcined at 1400 ° C. (◯ indicates the diffraction angle of the cubic TiC phase). 実施例2で作製した1400℃焼成粉末の炭素量を示すグラフ。3 is a graph showing the carbon content of a 1400 ° C. fired powder produced in Example 2. FIG. 実施例3で作製した前駆体粉末の図面代用走査型電子顕微鏡写真(スケールは100nm)。The scanning substitute electron micrograph of the precursor powder produced in Example 3 (scale is 100 nm). 実施例3で作製した前駆体粉末(a)、及び、1400℃で焼成した粉末(b)のX線回折図形(○印は、立方晶TiC相の回折角を示す)。X-ray diffraction pattern of the precursor powder (a) prepared in Example 3 and the powder (b) fired at 1400 ° C. (A mark indicates a diffraction angle of a cubic TiC phase). フェノール樹脂(a)、実施例1で作製した前駆体粉末(b)、及び、実施例3で作製した前駆体粉末(c)のFT−IRスペクトル。The FT-IR spectrum of the phenol resin (a), the precursor powder (b) produced in Example 1, and the precursor powder (c) produced in Example 3.

Claims (5)

チタンのアルコキシド又は塩化チタン、及び、フェノール又はフェノール化合物の反応
生成物からなることを特徴とする、炭化チタン、又は、炭化チタンと炭素の混合物の前駆
体。
A precursor of titanium carbide or a mixture of titanium carbide and carbon, characterized by comprising a reaction product of titanium alkoxide or titanium chloride and phenol or a phenol compound.
チタンのアルコキシド又は塩化チタン、及び、フェノール又はフェノール化合物を混合
して溶液又はスラリーを生じさせることを特徴とする、請求項1記載の炭化チタン、又は
、炭化チタンと炭素の混合物の前駆体の製造方法。
The production of a titanium carbide or a precursor of a mixture of titanium carbide and carbon according to claim 1, characterized in that a solution or slurry is produced by mixing titanium alkoxide or titanium chloride and phenol or a phenol compound. Method.
チタンのアルコキシド又は塩化チタン、及び、フェノール又はフェノール化合物を有機
溶媒中で混合して溶液又はスラリーを生じさせることを特徴とする、請求項1記載の炭化
チタン、又は、炭化チタンと炭素の混合物の前駆体の製造方法。
The titanium carbide or the mixture of titanium carbide and carbon according to claim 1, wherein a solution or slurry is produced by mixing titanium alkoxide or titanium chloride and phenol or a phenol compound in an organic solvent. A method for producing a precursor.
請求項2又は3に記載の方法において生じた溶液又はスラリーを乾燥させることを特徴
とする、炭化チタン、又は、炭化チタンと炭素の混合物の固体前駆体の製造方法。
A method for producing a solid precursor of titanium carbide or a mixture of titanium carbide and carbon, wherein the solution or slurry produced in the method according to claim 2 or 3 is dried.
請求項4に記載の方法で製造した固体前駆体を焼成して炭化反応を生じさせることを特
徴とする、炭化チタン、又は、炭化チタンと炭素の混合物の製造方法。
A method for producing titanium carbide or a mixture of titanium carbide and carbon, wherein the solid precursor produced by the method according to claim 4 is fired to cause a carbonization reaction.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101254929B1 (en) * 2009-06-23 2013-04-16 한국화학연구원 Method for preparing mesoporous titanium oxide using titanium oxide-carbon precursor nanocomposites
CN114904546A (en) * 2022-05-17 2022-08-16 江西师范大学 Ni/P-Mo @ Mo for producing hydrogen by hydrolyzing ammonia borane 2 C composite nano catalyst and preparation method and application thereof

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