[发明专利]一种单一相纳米立方一硼化钛的高温高压制备方法

说明书

本发明的一种单一相纳米立方一硼化钛的高温高压制备方法属于纳米二元硼化物制备的技术领域，以纳米钛粉、纳米硼粉为原料进行混合；经高温高压保持30分钟后冷却卸压，将所得样品研磨成粉末用热硫酸除去剩余的钛粉，再通过水洗烘干的工艺，制得单一相纳米立方一硼化钛。本发明利用纳米起始原料，有效降低反应能量，跨过o‑TiB的生成区间，制备单一相的c‑TiB，方法简单易操作，样品纯度高，粒径小且均一，适合后续工业应用。

技术领域

本发明属于纳米二元硼化物制备的技术领域，涉及立方一硼化钛(c-TiB)单一相高温高压的制备方法和纳米尺度晶粒的调控。

背景技术

TiB由于具备高熔点、高硬度、良好的导电性，是一类潜在的硬质功能材料。其优异的物理性质来源于Ti金属可以提供丰富的d壳层电子，并且B元素存在多样化的杂化形式。因此TiB被广泛应用于复合材料中，例如，TiB和TiC的复合材料表现出了优异的耐磨性；TiB和硅化物复合材料增强材料性能。目前，TiB中存在两个相c-TiB和正交一硼化钛(o-TiB)，但是其单一相体材料制备困难，有关单一相TiB的本征物理特性报道较少。原因在于TiB两相具有较为接近的生成焓，致使TiB两相合成的温度区间有重叠；同时，在高温下TiB₂又极易生成，所以目前制备出的TiB均为混合相(c-TiB+o-TiB或c-TiB+TiB₂)。这也导致TiB中依然存在大量潜在的功能未被开发，并且其单一相的应用也无法进行。因此探索制备单一相的c-TiB具有非常重要的科学意义以及实际应用价值。

根据目前报道，常规方法采用微米级别的钛粉和硼粉为原料，高温烧结获得的是正交相和立方相的混合物。例如，通过微米级别起始原料，在1300℃高温烧结得到的是c-TiB和o-TiB；1500℃高温烧结得到的是c-TiB和TiB₂。控制元素比例和烧结温度均无法得到单一相，其中均会存在杂相。然而纳米起始原料制备TiB的方法却未见报道。另外，在高温下，原料反应过程是在已形成的籽晶上继续沿一定晶向生长，晶粒极易快速长大至微米量级。所以，通过传统高温烧结也难以获得纳米尺寸的材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服背景技术存在的不足，提供一种单一相立方一硼化钛的制备方法，同时控制晶粒尺寸小于100纳米。

本发明的具体技术方案如下所述：

一种单一相纳米立方一硼化钛的高温高压制备方法，其特征在于，以纳米钛粉(Ti)、纳米硼粉(B)两种单质为原料按摩尔比1:0.8～1进行混合；经高温高压保持30分钟，冷却卸压；将所得样品研磨成粉末用热硫酸除去剩余的钛粉；再通过水洗烘干的工艺，制得单一相纳米立方一硼化钛(c-TiB)；所述的高温高压是指保持温度为700K～1000K、压力为1～5GPa；所述的冷却卸压，是停止通电加热后，样品自然冷却至常温，然后卸压；所述的热硫酸是指浓度为50％、温度在50～80℃的硫酸。

在本发明的一种单一相纳米立方一硼化钛的高温高压制备方法中，纳米钛粉和纳米硼粉的摩尔比优选1：0.8。

在本发明的一种单一相纳米立方一硼化钛的高温高压制备方法中，所述的高温高压优选温度为1000K、压力为3GPa。

在本发明的一种单一相纳米立方一硼化钛的高温高压制备方法中，为了保证在合成样品的过程当中合成腔体温度的均匀性，优选的加热方式是通电石墨管旁热式加热；为了保证样品不与产生热量的石墨管发生反应，合成样品的腔体采用六角氮化硼保护。

有益效果：

1、本发明利用纳米起始原料，有效降低反应能量，跨过o-TiB的生成区间，制备单一相的c-TiB；

2、本发明采用高压方法，降低晶体的成核活化能，并且提高扩散活化能，导致材料快速大量成核，同时抑制晶粒生长，缩短反应时间，获得纳米尺寸的c-TiB；