[发明专利]一种流化床制备TiN、TiC、TiCN粉体的系统及方法

说明书

本发明公开了一种流化床制备TiN、TiC、TiCN粉体的系统及方法。价格低廉的TiCl₄气体在流化床内经过预反应后获得预反应产物，随后预反应产物在沉积反应流化床中的氮源、碳源气氛中被氮化或(和)碳化成TiN、TiC、TiCN粉体。本发明显著降低了传统化学气相沉积制备TiN、TiC、TiCN粉体的温度，制备的TiN、TiC、TiCN粉体粒径和形貌可控，且制备工艺和设备简单、原料经济，适用于大规模工业化生产，具有良好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于化工、材料领域，涉及粉体的制备方法，特别是一种TiN、TiC、TiCN粉体的制备工艺。

背景技术

TiN、TiC、TiCN因具有熔点高、硬度大、耐腐蚀、耐磨、抗氧化能力强以及良好的导电、导热等优异性能，在机械加工、航空航天、石油化工、电子信息、生物电化学等领域具有广泛的应用。例如，TiN、TiC、TiCN可作为刀具材料、模具材料、防腐材料、导电陶瓷材料、电极材料、装饰材料、节能材料、耐磨材料以及生物相容性材料。TiN、TiC、TiCN粉体是制备这些高性能TiN、TiC、TiCN材料的基础。经过过去几十年的不断研发，目前主要有以下几大类制备方法：

(1)直接氮化或(和)碳化法，即把Ti或TiH₂粉体在高温(1000℃～1200℃)的氮源气体或者(和)碳源气体直接氮化或者(和)碳化成TiN、TiC、TiCN。例如中国专利CN201510998040.4公开了一种把超细TiH₂粉体平铺在氧化铝坩埚中，在高温N₂气氛下制备TiN粉体的方法。中国专利CN200510042366.6公开了一种把Ti粉放置于充满N₂的高能球磨罐中长时间球磨直接制备TiN粉体的方法。直接氮或者(和)碳化法存在的主要问题是所需温度高，时间长，粉体形貌难以调控。因为直接氮或者(和)碳化为固-气反应，一旦氮源或者(和)碳源气体与钛源颗粒开始接触并反应便会形成中间过渡层TiN_x/TiC_x，从而外部N或(和)C需要较高的温度才能扩散过中间层进一步与Ti或者TiH₂反应生成TiN、TiC、TiCN。通常，只有采用非常细(小于3μm)的Ti粉或者TiH₂粉体才能一步直接获得TiN、TiC、TiCN，否则需要多次反复破碎、氮化。然而超细Ti粉或TiH₂粉体制备较困难、成本非常高且容易氧化，同时在高温反应过程容易出现团聚、烧结，导致粉体变粗，需进一步破碎。这些缺点限制了TiN粉体应用范围。

(2)碳热还原法，即把TiO₂细粉体和C粉体混合，在高温(约1300℃)氮源或者(和)碳源气氛下还原合成TiN、TiC、TiCN粉体。例如，中国专利CN201110076900.0采用纳米级TiO₂和C为原料，在高温气氛炉中通入高压的N₂制备粉体，然后经过破碎，筛分出微米级TiCN粉体。为降低温度，中国专利CN200510010013.8基于自蔓延燃烧，采用TiO₂、Mg、C为原料压制成一定密度的块体，然后在N₂中点燃合成粉体，最后经过酸洗获得亚微米级TiN、TiC、TiCN粉体。该类方法的主要问题是制备的TiN、TiC、TiCN粉体杂质含量高(氧或金属杂质)且很难获得单相的TiN、TiC、TiCN粉体，其中经常会伴随着这三者中的任意两种或者三种同时存在，从而难以获得高纯单相TiN、TiC、TiCN粉体。