專利名稱：氣相合成的碳化鎢納米微晶及制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明氣相合成的碳化鎢納米微晶及制備工藝屬于一種無機(jī)碳化物的氣相合成新工藝，屬于化工材料領(lǐng)域。
二、技術(shù)背景納米材料的開發(fā)和應(yīng)用是80年代發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。由于納米粒子有很多優(yōu)良特性，可以改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)如符合材料，涂料，橡膠，顏料，陶瓷，化妝品，環(huán)保材料等，可以大大提高產(chǎn)品性能，使產(chǎn)品增值。由于產(chǎn)品性能優(yōu)異，在我國(guó)進(jìn)入WTO后，產(chǎn)品質(zhì)量可向世界挑戰(zhàn)，故具有重大意義。
納米碳化鎢微晶是硬質(zhì)合金，耐磨材料，切削刀具材料及光學(xué)材料的理想基料。在新材料領(lǐng)域中以其不可替代的技術(shù)性能占據(jù)重要的地位，是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)材料，因而越來越受到世界各國(guó)的普遍重視。目前，生產(chǎn)高純度，納米碳化鎢微晶的方法從理論上講可劃分為三中其一，將鎢的氧化物和碳的混合物壓實(shí)，放在電弧爐或碳管爐中加熱到1900-2000℃，反應(yīng)物的中心是碳化鎢，周圍多為鎢的低價(jià)氧化物，產(chǎn)物經(jīng)粉碎得到碳化鎢粉，產(chǎn)品中含有雜質(zhì)，使其純度大受影響。其二，是將鎢粉與活性碳粉混合，在高能球磨機(jī)中混合球磨，制取碳化鎢粉，其產(chǎn)品的粒度不均勻，含有雜質(zhì)。其三，將易于水解的鎢化合物在某種溶劑中與水或其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)水解與縮聚過程逐漸凝膠化，再經(jīng)干燥，煅燒和還原等后處理得到所需的粉末。以上方法生產(chǎn)的碳化鎢粉末粒度不均勻，雜質(zhì)含量高，甚至達(dá)不到納米級(jí)，從而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于找出一個(gè)適用于工業(yè)化生產(chǎn)碳化鎢的新工藝，使其不但能保證納米級(jí)，高純度的技術(shù)要求，而且設(shè)備投資小，操作簡(jiǎn)便，成本低廉，易于使碳化鎢納米粉末具有合理的性能及價(jià)格而啟動(dòng)其應(yīng)用市場(chǎng)。
為實(shí)現(xiàn)顆粒達(dá)到納米級(jí)，本發(fā)明的著眼點(diǎn)是對(duì)氣相合成法工藝的改進(jìn)，其關(guān)鍵點(diǎn)在于氣相合成工藝中選取等離子體為環(huán)境，使氣相合成在密閉的設(shè)置有等離子體的反應(yīng)器內(nèi)完成。他是利用等離子體產(chǎn)生的超高溫激發(fā)氣體發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)利用等離子體高溫區(qū)與周圍環(huán)境形成的巨大的溫度梯度，通過急冷作用得到納米顆粒。具體特點(diǎn)如下本發(fā)明氣相合成的碳化鎢納米微晶，其特征在于，以等離子體為環(huán)境，采用含碳?xì)庠春凸腆w氯化鎢為基本原料，在密閉反應(yīng)容器中氣相合成，再經(jīng)熱處理后獲得的高純度的納米碳化鎢微晶材料。其碳含量為1％--20％，鎢含量為99％--80％。平均粒徑為20-80nm，形狀為球形或近球形。
上述權(quán)利要求1的氣相合成的碳化鎢納米微晶的制備工藝，其特征在于，在等離子體環(huán)境條件下，采用氣相合成法合成碳化鎢納米微晶的工藝，該工藝采用含碳?xì)庠春凸腆w氯化鎢為基本原料，在由等離子體發(fā)生器來提供的特殊環(huán)境，即合成碳化鎢時(shí)的等離子體溫度設(shè)定為1200-1800℃之間，溫度的調(diào)整借助于等離子體發(fā)生器輸出的功率和穩(wěn)弧氣體氬氣、氫氣的比例的調(diào)節(jié)完成的，氬氣與氫氣的比例為1∶1-1∶30.；采用固體氯化鎢作為鎢源，并且固體氯化鎢的汽化條件為300-500℃，壓力保持0.5-1.0Mpa；固態(tài)原料的蒸發(fā)與定量傳輸，將含碳?xì)庠春凸腆w氯化鎢，按重量比1∶15--1∶25分別置入蒸發(fā)器內(nèi)，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)后注入等離子反應(yīng)器。保持反應(yīng)器負(fù)壓為60-120cm水柱，在上述條件下完成反應(yīng)，將產(chǎn)生的反應(yīng)生成物引入具有一定溫度梯度的急冷沉降器，經(jīng)過急冷沉降室的急冷細(xì)化后得到納米碳化鎢微晶。
上述的氣相合成的碳化鎢納米微晶的制備工藝，其特征在于急冷沉降器內(nèi)的溫度梯度借助于雙夾層沉降器壁中自下而上的高壓循環(huán)水冷實(shí)現(xiàn)。
使用等離子體氣相合成法的優(yōu)勢(shì)恰恰在于用等離子體輔助使氣相合成反應(yīng)速度快而均勻，產(chǎn)品純度高。如果能準(zhǔn)確的控制溫度和反應(yīng)時(shí)間就可以獲得高質(zhì)量和低能耗的合成工藝。在普通環(huán)境下的合成中雖然可以實(shí)現(xiàn)，但卻無法達(dá)到納米級(jí)，且無法控制成本，只有利用等離子體為環(huán)境才可能實(shí)現(xiàn)溫度控制準(zhǔn)確，加熱速度快，大溫度梯度，反應(yīng)氣氛可調(diào)等特殊的工藝環(huán)境，實(shí)現(xiàn)合成速度快的同時(shí)合成物晶粒增長(zhǎng)受到內(nèi)外溫度梯度差大的抑制作用明顯，純度高，粒度小，熱損失小。因而選擇等離子體為環(huán)境的反應(yīng)器是本發(fā)明的關(guān)鍵。將合成的氣相原料準(zhǔn)確的注入熱反應(yīng)器內(nèi)，控制適當(dāng)?shù)墓に嚄l件，即可以將平時(shí)工藝流程中幾十分鐘甚至幾小時(shí)的合成反應(yīng)在千分之幾秒內(nèi)完成。生成物借助反應(yīng)器內(nèi)氣流導(dǎo)向和重力自動(dòng)脫離等離子體為中心的熱反應(yīng)區(qū)進(jìn)入自由沉降區(qū)急冷收集，從而形成一個(gè)連續(xù)化生產(chǎn)的工藝過程。由于該法易控制，可以得到很高純度的納米顆粒，它也特別適用于多組分、高熔點(diǎn)的化合物。
四
具體實(shí)施例方式
實(shí)施方式1在反應(yīng)器負(fù)壓60cm水柱，等離子功率6kw，WCl6的汽化溫度300℃的，壓力0.5Mpa，乙炔的流量10l/min，固體氯化鎢50g/min，氫氣30l/min，氬氣30l/min的條件下，把WCl6，C2H2，H2通入反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過急冷細(xì)化后得到納米碳化鎢微晶，其碳含量為1％，鎢含量為99％。平均粒徑為20nm，形狀為球形或近球形。
實(shí)施方式2反應(yīng)器負(fù)壓95cm水柱，等離子功率10kw，汽化溫度400℃，壓力1.0Mpa，乙炔的流量15l/min，固體氯化鎢85g/min，氫氣400l/min，氬氣40l/min。得到納米碳化鎢微晶，其碳含量為10％，鎢含量為90％。平均粒徑為50nm，形狀為球形或近球形。
實(shí)施方式3反應(yīng)器負(fù)壓120cm水柱，等離子功率15kw，汽化溫度500℃，壓力1.5Mpa，乙炔的流量20l/min，固體氯化鎢110g/min，氫氣1500l/min，氬氣50l/min。得到納米碳化鎢微晶，其碳含量為20％，鎢含量為80％。平均粒徑為80nm，形狀為球形或近球形。
根據(jù)以上工藝制取的碳化鎢純度可大于96％，游離硅含量小于1.3％，總氧量小于1.5％，平均粒度20-80nm，比表面積大于20m2/g，其碳含量為1％--20％，鎢含量為99％--80％，形狀為球形或近球形。而整體造價(jià)成本有明顯的商業(yè)價(jià)值，而且設(shè)備投資小，工藝簡(jiǎn)單，操作方便，能源低耗，特別技術(shù)指標(biāo)上的突破，為納米碳化鎢的商業(yè)市場(chǎng)打開了廣闊的前景。
權(quán)利要求
1.氣相合成的碳化鎢納米微晶，其特征在于，是以等離子體為環(huán)境，采用含碳?xì)庠春凸腆w氯化鎢為基本原料，在密閉反應(yīng)容器中氣相合成，再經(jīng)熱處理后獲得的高純度的納米碳化鎢微晶材料。其碳含量為1％--20％，鎢含量為99％--80％。平均粒徑為20-80nm，形狀為球形或近球形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣相合成的碳化鎢納米微晶的制備工藝，其特征在于，在等離子體環(huán)境條件下，采用氣相合成法合成碳化鎢納米微晶的工藝，該工藝采用含碳?xì)庠春凸腆w氯化鎢為基本原料，在由等離子體發(fā)生器來提供的特殊環(huán)境，即合成碳化鎢時(shí)的等離子體溫度設(shè)定為1200-1800℃之間，溫度的調(diào)整借助于等離子體發(fā)生器輸出的功率和穩(wěn)弧氣體氬氣、氫氣的比例的調(diào)節(jié)完成的，氬氣與氫氣的比例為1∶1-1∶30；采用固體氯化鎢作為鎢源，并且固體氯化鎢的汽化條件為300-500℃，壓力保持0.5-1.0Mpa；固態(tài)原料的蒸發(fā)與定量傳輸，將含碳?xì)庠春凸腆w氯化鎢，按重量比1∶15--1∶25分別置入蒸發(fā)器內(nèi)，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)后注入等離子反應(yīng)器；保持反應(yīng)器負(fù)壓為60-120cm水柱，在上述條件下完成反應(yīng)，將產(chǎn)生的反應(yīng)生成物引入具有一定溫度梯度的急冷沉降器，經(jīng)過急冷沉降室的急冷細(xì)化后得到納米碳化鎢微晶。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所說的氣相合成的碳化鎢納米微晶的制備工藝，其特征在于急冷沉降器內(nèi)的溫度梯度借助于雙夾層沉降器壁中自下而上的高壓循環(huán)水冷實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
一種氣相合成的碳化鎢納米微晶及制備工藝，屬于化工材料領(lǐng)域。其特征是工藝中采用以等離子體為環(huán)境的密閉反應(yīng)容器中完成氣相合成。所采用的基料為固體氯化鎢、含碳?xì)庠?，二者?∶15－1∶25的比例注入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中完成氣相合成，并借助反應(yīng)器內(nèi)氣流導(dǎo)向和自由沉降過程中急冷直接變成固態(tài)納米粉體。反應(yīng)器內(nèi)借助調(diào)控等離子體發(fā)生器輸出功率和氬氣、氫氣比例穩(wěn)定離子弧，并保持反應(yīng)溫度在1200℃－1800℃之間，急冷細(xì)化的納米粉體經(jīng)后處理去除氯化物雜質(zhì)生成高純度納米級(jí)的碳化鎢微晶。由于該工藝方法簡(jiǎn)單易控制，得到的納米顆粒純度很高，同時(shí)特別適用于制備多組分、高熔點(diǎn)的化合物粉料。
文檔編號(hào)C01B31/34GK1583560SQ200410012339
公開日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月9日
發(fā)明者孫彥平, 展紅全, 王俊文, 陳新謀 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)