[发明专利]一种碳化铪纳米粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷粉体制备技术领域，涉及一种碳化铪纳米粉体的制备方法。

背景技术

HfC是过渡元素Hf与C形成的一种非化学计量的碳化物，即HfC_x(0.5≤x≤1)，它属于一种超硬材料。根据JCPDF卡片，它的结构为NaCl型的面心立方结构，其晶格常数为0.46375nm，Hf原子形成紧密的立方晶格，C原子处于晶格的八面体间隙位置。HfC晶体是靠键距为a/2的原子键碳铪键连接，且该键是对称分布的。在HfC晶体结构中(111)面之间相邻的金属原子面与C原子平面之间是靠最强键能原子键键连接的，滑移时必须破坏最强键，故滑移非常困难，宏观上表现出超高硬度特性，其莫式硬度为9M。由于HfC晶体熔化时必须破坏高度对称分布的原子键，因而十分困难，从而宏观上表现出超高熔点特性，且HfC的原子键的键能E_A＝87.2163kJ/mol,故HfC的熔点高达3900℃。其体积电阻率为1.95×10^-4Ω·cm(2900℃)，热膨胀系数为6.73×10^-6/℃，其氧化温度为400℃。因其高硬度和高熔点引起了国内外研究人员的极大兴趣，是切割工具、飞行器鼻锥、机翼前缘、发动机热端等关键部位或部件最有前途的超高温候选材料，在核火箭动力装置、核反应堆、太空飞船等领域有着不可估量的应用前景。

目前，国内外对碳化铪合成的方法报道不多，报道的方法主要有：(1)直接碳热还原法，一般需要在1900℃以上才能反应，能耗高，对设备要求高，且生长出来的颗粒尺寸大，需要借助其他方法辅助降低反应温度。(2)液相先驱体转化法，王延斌等人以HfOCl₂，HCl，HNO₃，正丙醇，异丙醇，乙醇，乙酰丙酮等为原料，在1500℃条件下制备出了颗粒形貌不一、大小在几十纳米到几百纳米的HfC粉末，并且颗粒有着严重的团聚现象。(3)化学气相沉积法，Karlsruhe GmbH等人，以HfCl₄和适量的CH₄和H₂为原料，利用气相沉积法，在无孔的基板上成功制备出了碳化铪。此方法反应时间长，耗能高，产量小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种溶胶凝胶法结合放电等离子烧结炉(SPS)的快速升温-降温技术制备碳化铪纳米粉体的方法，能耗低、产率高，并且制备的碳化铪纳米粉体纯度高、结晶度好。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种碳化铪纳米粉体的制备方法，其步骤如下：

1)制备含铪凝胶：将HfCl₄和C₆H₈O₇·H₂O溶于去离子水，HfCl₄与水的质量体积比为0.20-0.25g/mL，其中HfCl₄和C₆H₈O₇·H₂O摩尔比为1:0.5-1.5，并不断搅拌使其充分溶解，然后用氨水溶液调节pH到2-3，并在60-80℃恒温下磁力搅拌处理，得到含铪凝胶；

2)制备前驱体粉末：将步骤1)所得含铪凝胶放入低温管式炉中热处理，室温下以3-10℃/min的速率升温至800℃，并保温1-3h，气氛为Ar，得到前驱体粉末；

3)制备碳化铪纳米粉体：将步骤2)所得前驱体粉末放入行星式球磨罐内进行高能球磨，所得粉体置于放电等离子体烧结炉中，在真空条件下，室温下以200-400℃/min的速率升温至1500-1800℃，保温3-10min，再以100-200℃/min的速率冷却至室温即得到碳化铪纳米粉体。

优选的是，步骤1)中HfCl₄和C₆H₈O₇·H₂O摩尔比为1:1。

按上述方案，步骤1)所述氨水溶液质量浓度为25％。

按上述方案，步骤1)所述磁力搅拌速率为60-80r/min，磁力搅拌时间为30-60min。

按上述方案，步骤3)所述高能球磨工艺为：行星式球磨罐公转转速为200-250r/min，自转转速为400-500r/min，球磨时间为1-3h。