[发明专利]一种低温熔盐中电化学合成TiC方法

说明书

技术领域

本发明涉及TiC合成技术领域，具体涉及一种低温熔盐中电化学合成TiC方法。

背景技术

TiC具有高熔点、高硬度、高电导性、导热性好、抗氧化、化学性质稳定和热稳定性好的特点，其及其复和制品在机械加工、化工、冶金矿产、航天领域、聚变堆和微电子等高技术领域有着很好的应用前景。很多政府、企业和学术界对生产TiC研究投入了大量资金和人力。然而目前生产成本高和高纯度获得困难的问题仍然限制着TiC的广泛使用。

目前国内外TiC合成的主要方法有碳热还原法、直接反应法和溶胶凝胶法。此外，还有如金属热还原法、微波法、热等离子法，化学气相沉积法等方法。碳热还原法是用TiO₂粉体与固体碳混合，高温(1700～2100℃)和长时间保温(10h～24h)条件下合成TiC，原料成本低，易操作；但产品纯度低，反应速度慢时间长，温度高能耗大。针对该法研究人员采用改善原料物性增大反应面积使TiO₂粉体与碳充分混合、增加反应物表面活化能减小反应粒子半径、改用高频感应炉和微波加热等方法进行节能降耗、提高产品纯度的努力，虽取得了一定进展，但上述问题仍未克服。直接反应法是以钛粉和碳粉为原料，采用外部能量激活Ti-C反应放出化学能，放热后产生高温自蔓延反应合成TiC，能耗小；但制备超细金属Ti粉原料困难、且成本高。直接反应法涉及的方法有SHS法、MSR法和微波加热法等。溶胶凝胶法是通过借助溶剂使TiO₂溶解与含碳物质充分混合形成凝胶，热处理后形成TiO₂与碳充分混合的微粒，高温条件下碳热还原制备TiC的方法，具有化学均匀性好的特点，但温度高能耗大，工艺复杂。尽管其他方法均存在各自的特点，但成本高、制备还原反应物困难等问题仍未解决。

发明内容

针对现有TiC合成技术的不足之处，本发明提供一种低温熔盐中电化学合成TiC方法。

本发明方法以金属氯化物混合物为电解质，例如：KCl-CaCl₂或NaCl-CaCl₂或KCl-BaCl₂或NaCl-BaCl₂或CaCl₂-BaCl₂混合物。要求电解质熔点≤750℃。生产TiC时，将TiCl₃和碳酸盐(Na₂CO₃或K₂CO₃或CaCO₃)溶解到电解质中，石墨等碳素材料为阳极，钨板为阴极，Ar-CO₂气体保护，在低于熔盐介质分解电压下，极间距≥1cm、温度≤750℃条件下，恒电压电解合成TiC。电解一段时间后取出阴极，再插入另一个阴极连续电解合成TiC。取出的阴极先用稀盐酸除盐，过滤产物，再用去离子水清洗，60℃烘干，封装。阴极处理好后重复使用。

本发明的熔盐电解质溶剂和碳酸盐采用常规方法200℃恒温2天脱水制成。TiCl₃在真空条件120℃恒温2天脱水。

本发明方法在低于750℃温度范围生产TiC，大幅度降低了TiC合成温度，能耗低。通过化学分析对产品进行分析，生产的TiC纯度高达3-4N。

具体实施方式

实施例1、CaCl₂-KCl熔盐中，添加TiCl₃和Na₂CO₃，600℃合成TiC

将2公斤按照摩尔比为2∶3的KCl-CaCl₂混合熔盐脱水后，放入石墨坩埚内，将TiCl₃和Na₂CO₃加入到熔盐中。将坩埚放入封闭反应器内，通入Ar-CO₂保护气氛，保持CO₂分压在0.1～0.5个大气压力。通电加热到600℃，电解质熔化后，插入石墨棒阳极和钨板阴极，极间距保持1～2cm，通电压3.1V电解，始终保持TiCl₃和Na₂CO₃在熔盐中含量分别在～0.49mol/公斤和～0.13mol/公斤。电解4小时，取出钨阴极，插入另一个钨阴极连续电解。将取出的钨阴极稀盐酸除盐，过滤产物，用去离子水冲洗，60℃烘干，封装。阴极处理好后重复使用。通过化学分析，产品中TiC纯度3～4N。