[发明专利]液态烷烃回流包碳法制备纳米碳化钛

说明书

技术领域

本发明属于高温结构陶瓷粉体材料制备领域，具体涉及到以有机碳骨架包覆钛源为先驱体制备TiC陶瓷纳米粉体的制备方法。

背景技术

近年来，过渡族金属碳化物由于其重要的科学价值及其潜在的巨大应用前景已引起了研究人员极大的兴趣，人们竞相的采用不同的思路合成此类碳化物。

TiC是过渡金属碳化物中最重要的功能结构材料之一，具有高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱、耐磨损、低逸出功以及良好的导电、导热性等一系列优点，常用来制备TiC基硬质合金或用TiC作增强相的高强度、高导电性的金属基复合材料。广泛应用于金属陶瓷、机械加工，冶金矿产，航天航空，微电子等领域。

现阶段，WC是最常用的一种金属碳化物，研究表明TiC在溶点、硬度、抗氧化性等方面都要优于WC；加之近年来，W资源短缺，使得WC的成本大幅上升，TiC相比WC更有成本优势，这也从侧面推动了人们对TiC的应用与研究。有关TiC合成与应用的研究近年来备受人们的关注，尤其是使用来源广泛而且廉价的有机物作为碳源制备本相TiC陶瓷更是研究热点中的热点。

目前，从反应机理的角度进行划分，制备TiC的主要方法有以下几种：1)碳热还原反应法。以无机碳粉与二氧化钛粉体为原料的碳热还原反应制备碳化钛的方法是唯一的工业化的方法，该方法采用机械球磨混料，反应温度一般高达1700℃。2)无机聚合物裂解法。研究采用该方法制备SiC、BC、TiN、TiCN的较多，对于采用该方法制备TiC的研究尚且处在初期探索阶段。3)单质碳与钛金属直接反应法。使用该方法制备碳化钛时，原料的成本较高、产物需进一步球磨分级。4)镁热还原反应法。该方法用液态金属氯化物与液态镁反应，通过镁还原金属氯化物置换出Ti和C原子，通过放热反应形成TiC，使用该方法制备碳化钛时，难以获得纯净的产物。5)钙热还原反应法等。

在众多制备方法中，TiO₂碳热还原反应法具有原料丰富，工艺简单，成本较低等优点而得到了广泛的应用，最新文献也较多地报道了该方法的一些发展或是对该方法的改进。大量的文献显示，研究人员以碳热还原反应为制备机理，尝试使用新的廉价的碳源，采用新的混合方式(溶胶凝胶、气态裂解包覆等)制备碳化钛。由于新的碳源的引入，原料之间的混合方式发生了巨大转变，促使前驱体中钛源与碳源之间的接触面积显著提高，从而大幅降低碳热还原反应实际进行的温度，制备出整比的高纯TiC。例如：Yasuo Gotoha，Kensaku Fujimura等人(J.Materials Research Bulletin 36(2001)2263-2275)以TiO₂的溶胶与甲基纤维素溶液混合干燥制得的复合物为原料，在氩气的保护下，通过碳热还原反应制备TiC。甲基纤维素作用是热解提供碳源，制备TiC(氧的含量0.60-2.32wt％)温度可降到1300℃；Yongsoon shin，Xiaohong S.等人(AdvancedMaterials 16(2004)1212-1214)以滤纸作为碳源，Tyzor-LA((NH₄)₂Ti(OH)₂(C₃H₅O₂)₂，2.23M in Ti)作为钛源，通过碳热还原反应制的TiC，制备温度可降至1350℃，氧含量可降至0.24％；Koc，Rasit等人(Journal ofmaterials science 34(1999)3083-3093)以纳米TiO₂粉为原料，通过热分解丙烯(C₃H₆)将单质无机C沉积在TiO₂粉末上来增加反应物的接触面积，从而将碳热还原反应温度降低至1300℃。

目前，研究较多的，基于碳热还原反应，制备TiC的方法主要有以下两种：1.溶胶-凝胶法，通过溶胶凝胶的混合方式来提供有机碳源与钛源；2.气态碳氢化合物裂解包碳法，通过气态碳氢化合物分子的裂解包碳来提供碳源。以上两种方法都不同程度的存在许多缺陷，例如：溶胶-凝胶法，原料较易水解、成本高、产率低、产物纯度较低，工艺繁琐；气态烷烃裂解包碳法，先驱体不能实现纳米TiO₂粒子在单分散状态下包碳，所制备的TiC晶粒偏大、设备要求高、耗能大、产物纯度较低等，因此也就限制了这两种方法在工业上的应用。