專利名稱：一種制備立方相納米氮化鈮粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及立方相納米氮化鈮粉體的制備方法，可用于制備高性能陶瓷、耐磨材料和超導(dǎo)材料。屬于納米材料領(lǐng)域。
納米氮化鈮是指其晶粒尺寸在100nm以內(nèi)的氮化鈮產(chǎn)品，用它代替微米級氮化鈮可以降低燒結(jié)溫度、提高燒結(jié)性能；用它作為增強相，可有效提高金屬、陶瓷基體的強度和耐磨性；還可以用作超導(dǎo)材料。故此，納米氮化鈮具有很大的實用價值。工業(yè)上，氮化鈮通常采用直接法和還原法來制備。直接法是以金屬鈮和氮氣為原料，將粉碎的金屬鈮送入氮化爐中，再通入氮氣，使其在700-1100℃下反應(yīng)1-2h即可得到氮化鈮。還原法是在炭存在下，以五氧化二鈮和氮氣為原料來制備氮化鈮。將粉碎的五氧化二鈮粉中加入炭粉，使其充分混合后送入還原爐中，然后通入氫氣和氮氣，于1250℃下還原反應(yīng)2h制得氮化鈮。這二個反應(yīng)的最大缺點是制備超細粉體比較困難，而且還原法需要二次除炭，工藝復(fù)雜，產(chǎn)品含有一定量雜質(zhì)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者研制出一些新方法用來制備氮化物超細粉體。球磨技術(shù)是將原材料的粉料在一定氣氛條件下，使原料充分混合和細化，并在此過程中伴隨著化學(xué)反應(yīng)的進行和生成物的不斷形成，最終獲得所要求產(chǎn)品材料的工藝。吳雪梅等在微細加工技術(shù)1999年第2期pp.40-46報道了利用特殊設(shè)計的球磨裝置，在一定壓力的氮氣氛下進行純金屬粉料的的球磨，制備氮化鈮超細粉末，但研磨時間較長，研磨介質(zhì)磨損對產(chǎn)品質(zhì)量有一定的影響，產(chǎn)品中含有一定的雜質(zhì)，而且生產(chǎn)效率低。S.Zhang等在Journal of Materials Science Vol.26(1991)pp.3380-3385報道了采用燃燒合成法制備氮化鈮粉體，但制得的產(chǎn)品粒度只能在微米級范圍內(nèi)。采用氨氣直接氮化納米氧化物粉體制備相應(yīng)的納米氮化物粉體是合成納米金屬氮化物粉體的新方法。近來我們分別在Journal ofAmerican Ceramic Society Vol.84(2001)No.11 pp.2710-2712和Vol.85(2002)No.5 pp.1294-1296報道了以納米TiO2和Cr2O3為原料合成納米TiN和CrN粉體。有關(guān)納米NbN粉體的制備，則鮮有報導(dǎo)。
本發(fā)明的目的是這樣實施的首先，以氫氧化鈮為起始原料，在一定溫度下溶解到濃硫酸溶液中，水解產(chǎn)生沉淀，經(jīng)洗滌、烘干制成氫氧化鈮粉體，經(jīng)煅燒而得到高比表面積無定形五氧化二鈮粉體；然后，將此高比表面積無定形五氧化二鈮粉體在管式反應(yīng)爐中，于流動氨氣條件下，高溫氮化合成立方相納米氮化鈮粉體。
由此可見，具體實施可分為兩大步第一步水解法制備高比表面積無定形五氧化二鈮粉體；第二步將高比表面積無定形五氧化二鈮粉體氮化來制備立方相納米氮化鈮粉體。現(xiàn)分別詳述如下一.高比表面積無定形五氧化二鈮粉體的制備本發(fā)明以氫氧化鈮為起始原料。先將氫氧化鈮加入到酸水比為3-5∶1的濃硫酸溶液中，加熱使其溶解，在400-800轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)速攪拌下，逐滴加入到蒸餾水中，產(chǎn)生沉淀。將沉淀物過濾，用蒸餾水洗滌，除去雜質(zhì)，直到溶液的pH值接近7；再用無水乙醇洗滌二次，除去沉淀物中的水分，避免硬團聚的生成，可以得到分散性良好的無定形氫氧化鈮粉體，將此產(chǎn)物烘干、過篩，在300-500℃下煅燒1-2小時，得到高比表面積無定形五氧化二鈮粉體。沉淀溫度為20～50℃，時間1～12小時，沉淀產(chǎn)物烘干條件為100℃、12小時，研磨、過200目篩。
二.立方相納米氮化鈮粉體的制備將得到的高比表面積無定形五氧化二鈮粉體放入石英舟中，裝入管式氣氛爐，通入氨氣，氨氣流量為0.5～5升/分鐘，升溫至650～800℃，升溫速率為5～10℃/分鐘，在此溫度下，保溫3～8小時，然后，在流動氨氣下，自然冷卻至室溫，得到納米氮化鈮粉體。可通過反應(yīng)溫度控制納米氮化鈮粉體的粒徑和氮化速度；通過控制氮化保溫時間控制納米氮化鈮粉體的粒徑；通過控制氨氣流速來縮短反應(yīng)時間。所以這三個參數(shù)的選擇均對反應(yīng)后的粒徑、產(chǎn)量有至關(guān)重要的影響，合理選擇這三個參數(shù)，使之有機匹配是很重要的。
反應(yīng)過程如下(2)本發(fā)明提供的納米氮化鈮粉體的制備方法的特點是1.制備的納米氮化鈮鉻粉體的粒徑小、分散性好、純度可達到95％以上。
2.生產(chǎn)工藝簡單、所需生產(chǎn)設(shè)備簡單，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
3.生產(chǎn)過程中使用氨氣作為氮化劑，比用氮氣加氫氣作氮化劑更利于反應(yīng)、更安全。
圖2是650℃氮化8小時所得氮化鈮粉體的透射電鏡照片。
圖3是700℃氮化3小時所得氮化鈮粉體的X射線衍射圖。
圖4是700℃氮化3小時所得氮化鈮粉體的透射電鏡照片。
圖5是700℃氮化5小時所得氮化鈮粉體的X射線衍射圖。
圖6是700℃氮化5小時所得氮化鈮粉體的透射電鏡照片。
實施例2按實施例1所述方法制備高比表面積無定形五氧化二鈮粉體。將制備的高比表面積無定形五氧化二鈮粉體放入石英舟中，裝入管式氣氛爐，通入氨氣，氨氣流量為1升/分鐘，升溫至700℃，升溫速率為10℃/分鐘，在此溫度下，保溫3小時，然后，在流動氨氣下，自然冷卻至室溫，得到納米氮化鈮粉體。圖3為本實施例制備的納米氮化鈮粉體的X射線衍射圖，與JCPDS卡片38-1155對照表明粉體為立方相氮化鈮，表明高比表面積無定形五氧化二鈮粉體在700℃、氨氣流中氮化3小時，可得到純度在95％以上的氮化鈮粉體，圖中三個衍射峰分別是氮化鈮(111)晶面、(200)晶面、(220)晶面的衍射峰。圖4為其透射電鏡照片，表明其粒徑為15-20nm。
實施例3按實施例1所述方法制備高比表面積無定形五氧化二鈮粉體。將制備的高比表面積無定形五氧化二鈮粉體放入石英舟中，裝入管式氣氛爐，通入氨氣，氨氣流量為1升/分鐘，升溫至700℃，升溫速率為10℃/分鐘，在此溫度下，保溫5小時，然后，在流動氨氣下，自然冷卻至室溫，得到納米氮化鈮粉體。圖5為本實施例制備的納米氮化鈮粉體的X射線衍射圖，與JCPDS卡片38-1155對照表明粉體為立方相氮化鈮，表明高比表面積無定形五氧化二鈮粉體在700℃、氨氣流中氮化5小時，可得到純度在95％以上的氮化鈮粉體，圖中三個衍射峰分別是氮化鈮(111)晶面、(200)晶面、(220)晶面的衍射峰。圖6為其透射電鏡照片，表明其粒徑為25nm左右。
實施例4按實施例1所述方法制備高比表面積無定形五氧化二鈮粉體。將制備的高比表面積無定形五氧化二鈮粉體放入石英舟中，裝入管式氣氛爐，通入氨氣，氨氣流量為1升/分鐘，升溫至750℃，升溫速率為10℃/分鐘，在此溫度下，保溫3小時，然后，在流動氨氣下，自然冷卻至室溫，得到納米氮化鈮粉體。X射線衍射研究表明粉體為立方相氮化鈮。說明高比表面積無定形五氧化二鈮粉體在750℃、氨氣流中氮化3小時，可得到純度在95％以上的氮化鈮粉體。透射電鏡觀察表明其粒徑為25nm左右。
實施例5按實施例1所述方法制備高比表面積無定形五氧化二鈮粉體。將制備的高比表面積無定形五氧化二鈮粉體放入石英舟中，裝入管式氣氛爐，通入氨氣，氨氣流量為1升/分鐘，升溫至800℃，升溫速率為10℃/分鐘，在此溫度下，保溫3小時，然后，在流動氨氣下，自然冷卻至室溫，得到納米氮化鈮粉體。X射線衍射研究表明粉體為立方相氮化鈮。說明高比表面積無定形五氧化二鈮粉體在800℃、氨氣流中氮化3小時，可得到純度在95％以上的氮化鈮粉體。透射電鏡觀察表明其粒徑為30-40nm。
權(quán)利要求
1.一種制備立方相納米氮化鈮的方法，其特征在于包括(1)先水解法制備高比表面積無定形五氧化二鈮粉體；(2)在流動氨氣氛下，將無定形五氧化二鈮粉體直接氮化合成粒度為15-40nm的立方相納米氮化鈮粉體。
2.按權(quán)利要求1所述的制備立方相納米氮化鈮的方法，其特征在于水解法制備高比表面積無定形五氧化二鈮粉體是以氫氧化鈮為原料，在常壓下將氫氧化鈮溶解到濃硫酸中并在400-800轉(zhuǎn)/分鐘攪拌下，逐滴加入到蒸餾水中產(chǎn)生氫氧化鈮沉淀，烘干，最后在300-500℃煅燒，保溫1-2小時。
3.按權(quán)利要求2所述的制備立方相納米氮化鈮的方法，其特征在于所述的沉淀溫度為20-50℃，沉淀時間1-12小時；烘干溫度100℃，時間12小時。
4.按權(quán)利要求2或3所述的制備立方相納米氮化鈮的方法，其特征在于所述的濃硫酸溶液的酸水比為3-5∶1。
5.按權(quán)利要求1所述的制備立方相納米氮化鈮的方法，其特征在于所述的無定形五氧化二鈮粉體直接氮化的工藝參數(shù)是(1)氮化反應(yīng)溫度控制在650-800℃；(2)氨氣流量為0.5-5升/分鐘；(3)氮化保溫時間3-8小時。
6.按權(quán)利要求5所述的制備立方相納米氮化鈮的方法，其特征在于氮化升溫速率為5-10℃/分鐘；在流動氨氣下，自然冷卻至室溫。
7.按權(quán)利要求5或6所述的制備立方相納米氮化鈮的方法，其特征在于通過控制反應(yīng)溫度控制納米氮化鈮粉體的粒徑和氮化速度；通過氮化保溫時間所制備的控制粉體的粒徑；通過控制氨氣流速縮短反應(yīng)時間。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備立方相納米氮化鈮粉體的方法。其特征在于以水解法制備的高比表面積無定形五氧化二鈮(Nb
文檔編號C01B21/06GK1396111SQ0213624
公開日2003年2月12日 申請日期2002年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月26日
發(fā)明者高濂, 李耀剛 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所