專(zhuān)利名稱(chēng)：一種制備TaC納米粉末材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備金屬的納米粉末材料的技術(shù)，特別提供了一種在 氬氣和C2H50H混合氣氛中制備TaC納米粉末材料的方法。
背景技術(shù)：
TaC納米粉末材料在涂層工業(yè)中有重要用途。TaC硬度大、熔點(diǎn)為3985 °C、高溫性能良好。TaC納米粉末材料，用作噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和火箭噴 嘴涂層，可顯著地提高其使用壽命。在電子發(fā)射管生產(chǎn)中，以TaC納米粉 末作中間層復(fù)合涂層。用TaC與鎢、鋁、鎳、鈷、釩等一系列金屬合成的 超級(jí)合金，是超音速噴氣式飛機(jī)、火箭和導(dǎo)彈等的良好結(jié)構(gòu)材料。在機(jī)械 工業(yè)中，用TaC納米粉等硬質(zhì)合金制造的刀具，能經(jīng)受近300(TC的高溫， 其硬度可以與世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)——金剛石相媲美。TaC還是第二類(lèi)超導(dǎo) 體材料，可制備非理想的第二類(lèi)硬超導(dǎo)體。
專(zhuān)利CN2003101103365,納米相TaC-過(guò)渡金屬基復(fù)合粉末的制備方法， 公開(kāi)了用化學(xué)方法制備TaC納米粉末材料的方法。用C晶OH制備TaC納米 粉末材料的方法未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供制備金屬的納米粉末材料技術(shù)。
具體地，本發(fā)明提供了一種TaC化合物納米粉末材料的制備方法，其特 征在于所述的TaC化合物納米粉末材料的制備方法，采用電弧放電產(chǎn)生等 離子體的制備技術(shù)。
所述的TaC納米粉末材料的外殼為碳，優(yōu)選地，碳?xì)ず穸葹?-5 nm, 用純硝酸加熱脫去多余的碳。
制備TaC納米粉末是在氬氣和C2H50H混合氣氛中進(jìn)行的；氬氣壓強(qiáng)為 0.5 kPa-0.5 MPa; C2H5OH所用量與工作腔體積成正比，為0. 05-5 ml/升。
本發(fā)明的金屬碳化物納米粉末材料的制備方法中，所用消耗陽(yáng)極的成 分為T(mén)a，優(yōu)選地，陽(yáng)極置于水冷陽(yáng)極之上；
所用消耗陰極的成分為石墨，陽(yáng)極與陰極距離為0.1mm-5 cm;電弧放 電的電流為8- 600 A，電壓為5-50V。
本發(fā)明的TaC納米粉末材料的制備方法中，制備完后，可以用含有0-70 %空氣的氬氣鈍化，鈍化時(shí)間為0-100小時(shí)，再進(jìn)行納米粉末的收集。
本發(fā)明的金屬碳化物納米粉末材料的制備方法中，所述水冷陽(yáng)極和消 耗陽(yáng)極之間有銅坩鍋，銅坩鍋底的厚度為3-30 mm。
本發(fā)明中采用電弧放電產(chǎn)生等離子體的制備技術(shù)，具體的原理是 制備中電弧等離子體主要是電離了Ta， C， Ar， H的氣體，它是由電子、
離子和中性粒子組成。其中電子和離子的總數(shù)基本相等，因而作為整體是 電中性的，若等離子體一旦出現(xiàn)電荷分離，立即就會(huì)產(chǎn)生巨大的電場(chǎng)。在電弧放電過(guò)程中，電子在電場(chǎng)中獲得的能量w-電量*電壓，電子的 電荷量為eM.6X10—19庫(kù)侖，當(dāng)電壓V-2伏特時(shí)，因而可以得到2eV二2 X1.6X10—"庫(kù)侖X伏特=3.2乂1019焦耳。根據(jù)溫度的微觀定義，E = W = 3/2 kT = 2eV = 3.2 乂10—19焦耳，把玻耳茲曼常數(shù)代入便可得到電子溫 度T:
T =23200 K
這僅是考慮單獨(dú)電子行為。電子能量很大溫度很高，但數(shù)量很少。當(dāng) 等離子態(tài)變?yōu)檎B(tài)時(shí)，溫度驟降，這為熔點(diǎn)高達(dá)3985T而且性質(zhì)穩(wěn)定的 TaC的形成提供了條件。
德拜(Debye)長(zhǎng)度入。描述粒子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)所引起的電荷分離尺度，它 與電子溫度T的平方根成正比，而與電子數(shù)密度ru的平方根成反比。
Id = ( s。 k T/e2 n e)1/2
eo是介電常數(shù)，k是玻爾茲曼常數(shù)。德拜長(zhǎng)度定量的描述了等離子體由 于某種原因引起的局部電荷分離，使電中性受到破壞的程度。也可以把入。 看作電離氣體是否是等離子體的一個(gè)衡量尺度.
溫度是104K,在電弧放電產(chǎn)生的等離子體中德拜長(zhǎng)度約為700納米， 密度是1014cm—3，當(dāng)溫度為5X 103K約為500納米.電中性受到破壞德拜長(zhǎng)度 約是在數(shù)百納米，溫度驟降到熔點(diǎn)以下。金屬化合物蒸氣易于形核長(zhǎng)大， 因密度低，形成納米的TaC的顆粒。TaC的顆粒進(jìn)一步形成集聚體。
由于納米金屬粒子的粒徑小、比表面大，在空氣中極易氧化，因而難 以應(yīng)用。當(dāng)形成金碳化物，其抗氧化性提高，特別當(dāng)碳包裹時(shí)，變成為穩(wěn) 定的納米粉末材料。TaC納米粉末材料的制備方法如下
將圖1所示的裝置上蓋(圖1所示1)打開(kāi)，將Ta金屬板做為靶材(圖 1所示4)，放在通冷卻水的銅陽(yáng)極上(圖1所示7),用石墨作陰極(圖1 所示2)，在通冷卻水的銅陽(yáng)極和靶材之間是純銅坩鍋(圖1所示10)，蓋 上裝置上蓋，通冷卻水(圖1所示8)，整個(gè)工作室抽真空高于10—3pa后， 通入氬氣，壓強(qiáng)為20kPa;按工作室體積每升注入0.8 ml乙醇；接通直流 脈動(dòng)電源，電壓為10-50 V,靶與電極間發(fā)生弧光放電。產(chǎn)生電弧放電的電 流為10-600 A?；」夥烹娺^(guò)程中調(diào)節(jié)工作電流與電壓保持相對(duì)穩(wěn)定。弧光 放電過(guò)程中乙醇分解，Ta金屬板熔化并蒸發(fā)和電離，Ta和C化合形成TaC 的納米顆粒，沉積在陽(yáng)極，側(cè)壁和上蓋上。完成所需弧光放電過(guò)程后，切 斷電源，弧光熄滅。抽出工作室氣體，注入空氣和氬氣鈍化TaC的納米顆 粒，鈍化結(jié)束后，打開(kāi)上蓋收集工作室中的TaC的納米粉。
TaC的納米粉加入純硝酸(濃度約65%)置于燒瓶中，加熱沸騰(約 110 °C) 3-5小時(shí)，用水稀釋離心分離得到脫去碳外殼的TaC的納米顆粒。 圖2-圖9為分析測(cè)試結(jié)果，圖10為其結(jié)構(gòu)圖,這些證明了是TaC的納米粉。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)用該方法可以穩(wěn)定地獲得納米尺寸TaC粉末。由于使 用乙醇，利用其分解，以氣態(tài)方式提供了碳的來(lái)源，增加TaC的納米粉的 產(chǎn)率，而又減少了游離碳。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明 圖1為用電弧等離子體制備TaC納米粉末材料的裝置示意圖；圖中1是裝置上蓋，用于打開(kāi)裝置；2是石墨電極；3是用于抽真空的接口； 4是 消耗陽(yáng)極，所用消耗陽(yáng)極是成分按原子計(jì)為99 96以上的Ta; 5是觀察窗；6 是用來(lái)收集TaC納米顆粒的金屬擋板；7是水冷陽(yáng)極；8是冷卻水的進(jìn)出口 ； 9是可調(diào)水冷陰極夾頭；10是純銅坩鍋，銅坩鍋底的厚度為3-50 mm; 11 是直流電源，工作時(shí)，產(chǎn)生電弧放電的電流為10-600A，電壓為8-50 V; 12是氬氣入口，氬氣壓強(qiáng)為2kPa -0. 5MPa，還可以用來(lái)輸入含有0-70 %空 氣的氬氣；13是乙醇輸入口。 TaC米顆粒沉積在銅坩鍋上，或擋板上，或 上蓋和側(cè)壁上，并可根據(jù)需要用物理或化學(xué)方法將TaC分離出。
圖2為沉積上蓋上碳包裹的TaC金屬化合物納米粉末材料的X光衍射 圖譜；圖中所標(biāo)衍射角度34.8、 40.4、 58.54、 69. 4和73. 62分別為T(mén)aC 晶面(lll) 、 (200) 、 (220) 、 (311)和(222)的衍射峰；
圖3為沉積上蓋上碳包裹的TaC納米粉末材料為沉積上蓋上的高分辨 電鏡照片；(a)納米粉末材料的形貌像(b)納米粉末材料(lll)面；
圖4為沉積在靶上碳包裹的TaC金屬納米粉末集聚體；(a), (b)， (c)，(d)， (e)為5mm到2um不同尺度的照片；
圖5為T(mén)aC物納米粉末材料的零場(chǎng)冷卻(ZFC)和帶場(chǎng)冷卻(FC)曲線； 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為10 K;
圖6為T(mén)aC物納米粉末材料的磁化曲線，說(shuō)明TaC納米粉末表現(xiàn)為非 理想的第二類(lèi)超導(dǎo)體特性；
圖7為T(mén)aC納米粉末材料4f7/2和4f5/2電子結(jié)合能，TaC的4f5/2 的電子結(jié)合能為24.73電子伏(eV)，而4f7/2的電子結(jié)合能為22.79電子 伏;Ta的4f5/2電子結(jié)合能為23. 5電子伏，而4f7/2的電子結(jié)合能為21. 8電子伏；
圖8為電極板上未去外殼的TaC納米粉末的電鏡照片；
圖9為用65%的硝酸浸泡加熱至沸騰3小時(shí)去外殼的TaC納米粉末;
圖10為T(mén)aC的結(jié)構(gòu)圖，晶格常數(shù)=4.465 nm。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
將Ta的塊體作為靶材，氬氣壓強(qiáng)為0. 02MPa，產(chǎn)生電弧放電的電流為 60-110A,電壓為15-25V，乙醇按工作室體積為0. 7ml/升。電弧熄滅后，放 入0. 01 Mpa的氬氣和0. 02 Mpa的空氣鈍化，鈍化時(shí)間為5小時(shí)，制備的 TaC納米粉末材料。圖2-圖9為分析測(cè)試結(jié)果。
實(shí)施例2
將Ta作為靶材，工作氣體用氬氣和氫氣，壓強(qiáng)為0. 02MPa和2kPa氫， 氣產(chǎn)生電弧放電的電流為60-IIOA，電壓為15-25V，乙醇按工作室體積為 0.5 ml/升。電弧熄滅后，放入O.Ol Mpa的氬氣和0.02 Mpa的空氣鈍化， 鈍化時(shí)間為5小時(shí)，制備出TaC納米粉末材料。圖2-圖9為分析測(cè)試結(jié)果。
權(quán)利要求
1、一種制備TaC納米粉末材料的方法，納米粉末的外殼為碳，其特征在于用氬氣和乙醇作為工作氣體，采用電弧放電產(chǎn)生等離子體的制備技術(shù)；所用消耗陽(yáng)極的成分為T(mén)a，所用消耗陰極的成分為石墨；制備TaC納米粉末是在氬氣和C2H5OH混合氣氛中進(jìn)行，氬氣壓強(qiáng)為0.5kPa-0.5MPa，C2H5OH所用量與工作腔體積成正比，為0.05-5m1/升；所用消耗陽(yáng)極與陰極距離為0.1mm-5cm，電弧放電的電流為8-600A，電壓為5-50V。
2、 按照權(quán)利要求1或5所述的制備TaC納米粉末材料的方法，其特征 在于所述的水冷陽(yáng)極和消耗陽(yáng)極之間有銅坩鍋，銅坩鍋底的厚度為3-30 mm。
3、 按照權(quán)利要求1所述的制備TaC納米粉末材料的方法，其特征在于 所述的TaC納米粉末顆粒直徑小于50 nm。
4、 按照權(quán)利要求1所述的制備TaC納米粉末材料的方法，其特征在于 所述的TaC納米粉末的碳?xì)ず穸葹?-5 nm，用純硝酸加熱脫去多余的碳。
5、 按照權(quán)利要求1所述的制備TaC納米粉末材料的方法，其特征在于 所消耗的陽(yáng)極Ta，要置于水冷銅陽(yáng)極上。
全文摘要
一種制備TaC納米粉末材料的方法，納米粉末的外殼為碳，其特征在于用氬氣和乙醇作為工作氣體，采用電弧放電產(chǎn)生等離子體的制備技術(shù)；所用消耗陽(yáng)極的成分為T(mén)a，所用消耗陰極的成分為石墨；制備TaC納米粉末是在氬氣和C₂H₅OH混合氣氛中進(jìn)行，氬氣壓強(qiáng)為0.5kPa-0.5MPa，C₂H₅OH所用量與工作腔體積成正比，為0.05-5ml/升；所用消耗陽(yáng)極與陰極距離為0.1mm-5cm，電弧放電的電流為8-600A，電壓為5-50V。由于用乙醇，利用其分解，以氣態(tài)方式提供了碳的來(lái)源，既增加TaC的納米粉的產(chǎn)率，而又減少了游離碳。
文檔編號(hào)C01B31/30GK101318653SQ20071001156
公開(kāi)日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2007年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月6日
發(fā)明者任衛(wèi)軍, 敏 佟, 劉先國(guó), 宋小平, 濱 張, 張志東, 達(dá) 李, 王振華, 耿殿禹, 胡魁義 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所