[发明专利]用于由前体卤化物制备产物的空化方法

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及在基本环境温度下采用空化处理在无水液体介质中由氢化物前体制备金属、金属合金和化合物、陶瓷材料、以及金属基质陶瓷复合材料。通过空化可将适合的碱金属或碱土金属分散在所述液体介质中以还原前体卤化物。例如，可以制备钛、钛合金和钛化合物、铂合金和过渡金属硅化物。在示例性实例中，实践涉及将氯化钛或将氯化钛与其它前体卤化物的混合物添加到空化的含还原剂材料的液体中，以制备金属钛、或钛合金或钛化合物。

背景技术

[0002]钛及其金属合金是目前制备起来相对昂贵的材料。钛合金能以诸如铸件、锻件和板材的形式用于制备制品。可以配制钛基材料来提供良好强度性能与较轻重量的结合。例如，钛合金被用于制造飞机。由于与具有可竞争性能的铁合金和铝合金相比钛的成本问题，所以钛合金在机动车辆中的使用受到了限制。

[0003]对含钛矿石进行选矿以获得适合浓度的TiO₂。在氯化工艺中，二氧化钛(往往是金红石晶形的)被在流化床反应器中在焦炭(碳)的存在下氯化以制造四氯化钛(TiCl₄)，其为在室温下易挥发的液体。传统上，金属钛是以分批工艺用钠或镁金属高温还原四氯化钛(TiCl₄)制造的。纯的金属钛(99.9％)最先是由Matthew A.Hunter在1910年通过在钢瓶中于700-800℃加热钠和TiCl₄而制备的。用于工业规模制造金属钛的第一种且仍最广泛采用的工艺为Kroll工艺。在Kroll工艺中，800℃-900℃的镁被用作TiCl₄蒸气的还原剂，并作为副产物产生氯化镁。这两种工艺都生成海绵钛且都需要反复的非常耗能的真空电弧再熔步骤来提纯钛。当合金化组分能以承受与四氯化钛蒸气进行的钠或镁还原反应的适合氯化物盐(或其它适合的卤化物盐)形式引入时，这些工艺可被用于同时生产钛和一或多种另外的金属(合金)。这些高温且耗能的工艺产出优质的钛金属和金属合金，但如上所述，对于许多应用例如在机动车零件中的应用来说，这些钛材料过于昂贵。

[0004]Armstrong/ITP工艺同样在金属的制造中使用碱金属或碱土金属来还原金属卤化物。Armstrong工艺可以在较低的温度运行，且可以作为连续过程操作以制造金属或金属合金(如钛或钛合金)粉末。但是，金属的预计成本仍然很高，对于许多机动车应用来说仍然过高。

[0005]需要更低成本的工艺来制造钛以及钛合金和钛化合物。如果能够提供适用于其它金属及其合金和化合物的低成本的工艺，将是特别有益的。

发明内容

[0006]通过在接近环境温度和接近大气压力下在液体反应介质中用还原剂金属还原卤化钛(例如，四氯化钛)，可以制备金属钛(作为例子)。采用适当的空化(cavitation)操作，例如声化学处理或高剪切混合，来辅助前体卤化物在反应介质中的还原。所述工艺还可用于同时还原卤化钛和其它前体卤化物以制造钛合金或钛化合物、或者钛金属基质复合材料。此外，根据所选的前体卤化物或前体卤化物组合，所述工艺可用于制造许多形式的众多其它材料。

[0007]所述反应介质为无水的、适当低蒸气压的液体，且其与所述前体卤化物或所述还原剂金属没有反应性。适合的反应介质材料的例子有无水液态烃如萘烷、1，2，3，4-四氢化萘、癸烷、十二烷和十六烷。适合的反应介质材料的例子还有液态含硅油类，如聚二甲基硅烷，和室温离子液体。所述液体介质可用干燥且基本上无氧无水的惰性气体如氦气或氩气灌注或覆盖以在处理过程中提供惰性气氛。

[0008]用于所述前体卤化物的所述还原剂适合地为一或多种碱金属或碱土金属如锂、钠、钾、铷、铯、镁、钙和钡。优选的还原剂是能在接近环境温度通过向所述液体施加超声振动作为胶体分散在所述液体介质中的反应物的低熔点混合物。例如，钠和钾的低共熔混合物如Na_0.22K_0.78和Na_0.44K_0.56在大约室温为液体，且是前体卤化物的有效还原剂。然后将一或多种前体卤化物，如四氯化钛，添加到所述具有分散的还原剂的反应介质中，并被还原成预定的产物。当前体卤化物包含卤化钛时，产物可以，例如，为金属钛、钛与其它金属的混合物、或含钛的合金、或钛化合物。