[发明专利]一种过渡金属碳化物的制备方法

说明书

本发明公开了一种过渡金属碳化物的制备方法，将反应物和低熔点的氯化物盐在搅拌机中进行混合，通过搅拌机的高速搅拌的瞬间高温作用下将反应物包裹在氯化物盐中，再通过马弗炉的高温碳热、镁热还原反应制备得到过渡金属碳化物。主要利用氯化物盐在高温下形成的高温离子液体的活性降低碳化反应温度，提高反应速度，并且保护原始粉体不被空气所氧化，从而解决了烧结温度高和需要保护气氛的问题。本发明不仅具有原料来源丰富、工艺简单、生产成本低和无保护气氛合成的特点，且回收的氯化物盐能重复利用，所制备的碳化物粉体晶体形貌好、纯度高和粒度均匀。为低温空气中直接制备过渡金属碳化物提供了新的理论指导和技术支持，具有良好的经济效益。

技术领域

本发明涉及过渡金属碳化物材料制备的技术领域，特别的涉及一种无保护气氛低温低成本过渡金属碳化物的制备方法。

背景技术

过渡金属碳化物是一类具有很高的熔点、硬度、极高的热稳定性、机械稳定性和优异的导热性，此外，它还具有与其母体金属相类似的电、磁性质，正是这些性质使得它们被广泛应用于各种耐高温、耐磨擦和耐化学腐蚀等领域，以及机械切削、矿物开采、制造抗磨和高温部件以及核反应堆等领域。有些还具有特殊的光、电、磁、超导、热学、催化等性能，是一种极富潜力的非氧化物高温结构材料、电子材料和催化新材料。它们的典型代表有碳化钛，碳化锆、碳化铪等。如：碳化钛粉体是许多先进材料的基础原料，尤其是制备切削工具、耐磨部件的优选材料；碳化钛亦是制备电极部位、涂层材料的优选材料；碳化钛粉体与Al₂O₃、Si₃N₄和SiC等混合可制备用于抗高温、抗腐蚀的结构部件。碳化锆、碳化铪是飞行器鼻锥、机翼前缘、发动机热端等各种关键部位或部件最有前途的超高温候选材料。可见，碳化物粉体具有很广泛的应用。

目前，可采用许多种方法均可用于制备过渡金属碳化物，如碳热还原法、直接碳化法、高温自蔓延合成法、化学气相沉积法、微波合成法等。但上述方法均需要在氩气等惰性气氛保护下进行，并且处理温度高于1400℃，所以需要高温工业炉，因此设备造价高、能源消耗大，造成生产成本高，而且不容易获得纯的碳化物粉体，大大的限制了碳化物粉体的大规模的工业化生产。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种过渡金属碳化物的制备方法，解决现有制备方法的烧结温度高、能耗高、成本高、纯度低和工艺复杂条件苛刻等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种过渡金属碳化物的制备方法，包括以下步骤：

1）前驱体的制备：

将反应物加入氯化物盐中，然后将上述混合物置于不锈钢反应粉碎机中，高速搅拌，通过粉体间摩擦产生的瞬间高温使反应物包裹在低熔点的氯化物盐在高温下形成的高温离子液体中，搅拌结束冷却后，即得到前驱体；所述反应物包括过渡金属氧化物、碳粉和镁粉；

2）过渡金属碳化物的制备

将步骤1）制备的前驱体放入氧化铝的坩埚中，并置于马弗炉中进行高温烧结处理，冷却至室温，再经水洗、酸洗、过滤、干燥处理，即得到过渡金属碳化物。所述酸洗是用浓度为5~20%的盐酸或硫酸。

这样，将过渡金属氧化物、镁粉、碳粉和低熔点氯化物盐在瞬间高温处理下，使反应物包裹在高温离子液体（氯化物盐在高温条件下形成的）内部，进而反应物在高温离子液体中进行碳热反应和镁热反应。其中高温离子液体一方面作为反应的液相溶解介质，合成过程中，反应物通过在高温离子液体的溶解，实现了反应物原子尺度的混合；另外一方面，利用高温离子液体的活性，降低碳化反应温度，提高反应速度，并且在高温离子液体的包裹下使原始粉体不被空气所氧化，实现了可以在空气环境中低温（500~900℃）制备过渡金属碳化物，从而避免了使用昂贵的惰性气体氩气等保护气氛和高温能耗。

进一步，所述反应物与离子液体的质量比为1:0.5~200。