專利名稱：一種制備氮化鈦陶瓷粉末的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于陶瓷粉末制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種制備納米氮化鈦陶瓷粉 末的方法。
背景技術(shù)：
氮化鈦(TiN)陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐酸堿侵蝕、耐磨損以及良好 的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制備金屬陶瓷、切削工具、熔煉金屬用 坩堝、熔鹽電解金屬用電極的襯里材料、電觸點(diǎn)和金屬表面的被覆材料等。
高質(zhì)量的粉末原料是獲得高性能產(chǎn)品的先決條件，要制備性能優(yōu)異的陶瓷材 料，往往需要首先制備出高純度、細(xì)粒度、燒結(jié)性能良好的粉末原料。氮化鈦陶瓷 粉末的制備方法有碳熱還原法、金屬直接氮化、化學(xué)氣相沉積法等多種，其中碳熱 還原法制備的粉末在純度、粒度和形貌、燒結(jié)性能等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，另外，該 方法成本較低，適宜規(guī)?；a(chǎn)。傳統(tǒng)碳熱還原法制備氮化鈦粉末通常采用二氧化 鈦和碳黑為原料，但由于比重和極性差異，二者很難混合均勻，容易造成反應(yīng)不完 全，另外，反應(yīng)溫度高，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，因此，該方法有待進(jìn)一步改善。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于增加原料混合的均勻性，同時(shí)可以使粒度更小的兩種亞微粒子 直接接觸反應(yīng)，提高反應(yīng)活性，在較低反應(yīng)溫度條件下合成高純度、細(xì)粒度的陶瓷 粉末;.解決傳統(tǒng)碳熱還原法采用二氧化鈦和碳黑為原料制備氮化鈦粉末，混料不均、 反應(yīng)溫度高、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問題。
通過化學(xué)方法制備二氧化鈦和碳的混合前驅(qū)物是改善碳熱還原條件和制備細(xì) 粒度陶瓷粉末的有效途徑之一，其原理是通過化學(xué)方法可以改善傳統(tǒng)直接以二氧化 鈦陶瓷粉末和碳粉為原料時(shí)，增加原料混合的均勻性，同時(shí)可以使粒度更小的兩種 亞微粒子直接接觸反應(yīng)，提高反應(yīng)活性，在較低反應(yīng)溫度條件下合成高純度、細(xì)粒 度的陶瓷粉末。
低溫燃燒合成是液相中的一種燃燒合成反應(yīng)，其實(shí)質(zhì)是氧化劑和燃料之間的氧 化還原放熱反應(yīng)。通常是采用金屬硝酸鹽(或硝酸+含金屬元素的可溶性物質(zhì))為 氧化劑，尿素為還原劑(燃料)，由于尿素中氮元素為-3價(jià)，它可以起到還原劑的 作用，與硝酸根(硝酸根中的氮元素為+5價(jià)，為氧化劑)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將它 們加熱到一定溫度，二者分解出來的可燃?xì)怏w會(huì)發(fā)生非爆炸式的燃燒反應(yīng)，放出大 量熱量和氣體。
一種制備氮化鈦陶瓷粉末的方法，其特點(diǎn)在于將低溫燃燒合成技術(shù)應(yīng)用于氧化 鈦和碳混合前驅(qū)物的制備，特點(diǎn)是將水溶性有機(jī)碳源如葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉、 檸檬酸等加入到金屬硝酸鹽(或其他金屬鹽的可溶性物質(zhì)+硝酸)和有機(jī)燃料的混
3合溶液中，在液相中將各組分均勻混合后將溶液加熱，氧化劑和燃料之間發(fā)生燃燒 反應(yīng)。燃燒反應(yīng)放出的熱量使有機(jī)碳源發(fā)生熱解和炭化，金屬鹽則轉(zhuǎn)化為粒度極細(xì) 的氧化物陶瓷粉末，并均勻分散于有機(jī)物炭化后形成的碳源中，燃燒反應(yīng)過程中放 出的大量氣體使得到的前驅(qū)物成為非常蓬松的泡沫狀物質(zhì)，可以有效防止前驅(qū)物中 粉末顆粒的團(tuán)聚，有利于制備出分散性能良好的非氧化物陶瓷粉末。 本發(fā)明是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的-
1. 原料所釆用的鈦源包括可溶性鈦鹽四氯化鈦、四溴化鈦。碳源為水溶性 有機(jī)碳源，包括葡萄糖、蔗糖、檸檬酸、可溶性淀粉。所采用的氧化劑為硝酸。燃 料為尿素。硝酸銨為調(diào)配劑。
2. 前驅(qū)物的制備鈦鹽四氯化鈦或四溴化鈦和有機(jī)碳源(葡萄糖、蔗糖、檸 檬酸、可溶性淀粉)的配比按照摩爾比Ti: C=l: (4 16);不添加調(diào)配劑時(shí)，硝 酸與尿素的摩爾比為(1 12): 1;添加調(diào)配劑時(shí)，硝酸加硝酸鈸與尿素加硝酸銨 的摩爾比為(1 12): 2,即(n硝酸+n鵬酸銨〉/(2n尿素+n鵬銨h (1 12): 2。將各種原料 溶于水后，在100 600'C溫度下加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程 后，發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)物。
3. 前驅(qū)物的預(yù)處理將所得的前驅(qū)物粉碎后，在200 80(TC的溫度下預(yù)處理 0 10小時(shí)。
4. 前驅(qū)物的碳熱還原反應(yīng)將步驟3得到的前驅(qū)物在800 180(TC的流動(dòng)氮?dú)?氣氛中碳熱還原1~10小時(shí)，氮?dú)饬髁繛? 201/min，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理，得到氮 化鈦粉末。
利用低溫燃燒合成制備前驅(qū)物，完全克服了傳統(tǒng)直接以氧化物陶瓷粉末和碳粉 為原料時(shí)二者難以混合的缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)粒度更細(xì)小的氧化物粒子和碳源粒子的均 勻分散和混合，因此，前驅(qū)物具有很好的反應(yīng)活性。以該前驅(qū)物為原料利用碳熱還 原法制備非氧化物陶瓷粉末，可以大大改善反應(yīng)條件，降低反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)速 率。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1. 將低溫燃燒合成技術(shù)應(yīng)用氮化鈦陶瓷粉末的制備，具備濕化學(xué)法的優(yōu)點(diǎn)，各
種原料溶于水后，在溶液中容易實(shí)現(xiàn)金屬鈦鹽和碳源在原子或分子水平上的均勻混 合。
2. 充分利用了低溫燃燒合成簡(jiǎn)便、快捷、能耗低的特點(diǎn)；燃燒反應(yīng)放出的大 量氣體使前驅(qū)物呈蓬松的泡沫狀，可以有效防止團(tuán)聚，有利于制備分散性能良好的 氮化鈦陶瓷粉末。
3. 前驅(qū)物中鈦源和碳源粒度細(xì)小、混合均勻，反應(yīng)活性好，大大降低碳熱還原反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)速率，可以制備出分散性能良好的納米級(jí)非氧化物陶瓷粉末。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:
稱取四氯化鈦0.1摩爾，葡萄糖0.1摩爾，硝酸0.2摩爾，尿素0.1摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于30(TC的可控溫電爐上加熱，溶液在揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在40(TC的空氣中處理1小時(shí)。將所得物質(zhì)在1400'C、氮?dú)饬髁繛?1/min的條件下反應(yīng)1小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到氮化鈦粉末。
實(shí)施例2:
稱取四氯化鈦0.09摩爾，檸檬酸0.06摩爾，硝酸1.5摩爾，尿素0.5摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于20(TC的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在200'C的空氣中處理2小時(shí)。將所得物質(zhì)在120(TC、氮?dú)饬髁繛?1/min的條件下反應(yīng)10小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到氮化鈦粉末。
實(shí)施例3:
稱取四氯化鈦0.09摩爾，蔗糖0.06摩爾，硝酸5摩爾，尿素0.5摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于40(TC的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)過揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在600'C的空氣中處理1小時(shí)。將所得物質(zhì)在160(TC、氮?dú)饬髁繛?1/min的條件下反應(yīng)8小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到氮化鈦粉末。
實(shí)施例4:
稱取四氯化鈦0.09摩爾，葡萄糖0.15摩爾，硝酸2摩爾，尿素0.5摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于200。C的可控溫電爐上加熱，溶液在揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在50(TC的空氣中處理2小時(shí)。將所得物質(zhì)在150(TC、氮?dú)饬髁繛?01/min的條件下反應(yīng)5小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到氮化鈦粉末。
實(shí)施例5:
稱取四氯化鈦0.09摩爾，葡萄糖0.21摩爾，硝酸3摩爾，尿素0.5摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于30(TC的可控溫電爐上加熱，溶液在揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在300'C的空氣中處理3小時(shí)。將所得物質(zhì)在1100'C、氮?dú)饬髁繛?1/min的條件下反應(yīng)6小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到氮化鈦粉末。實(shí)施例6:
稱取四氯化鈦0.1摩爾，葡萄糖0.15摩爾，硝酸1.5摩爾，尿素0.5摩爾。將
上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于40(TC的可控溫電爐上加熱，溶液在揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在400。C的空氣中處理5小時(shí)。將所得物質(zhì)在1200°C、氮?dú)饬髁繛?1/min的條件下反應(yīng)4小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到氮化鈦粉末。實(shí)施例7:
稱取四氯化鈦0.1摩爾，葡萄糖0.15摩爾，硝酸2.5摩爾，尿素0.5摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于200'C的可控溫電爐上加熱，溶液在揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，反應(yīng)得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在500'C的空氣中處理4小時(shí)。將所得物質(zhì)在150(TC、氮?dú)饬髁繛?51/min的條件下反應(yīng)2小時(shí)，所得反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理，得到氮化鈦粉末。
實(shí)施例8:
稱取四溴化鈦0.1摩爾，檸檬酸0.15摩爾，硝酸1.5摩爾，硝酸銨1摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于20(TC的可控溫電爐上加熱，溶液在揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，反應(yīng)得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在50(TC的空氣中處理4小時(shí)。將所得物質(zhì)在150(TC、氮?dú)饬髁繛?1/min的條件下反應(yīng)2小時(shí)，所得反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理，得到氮化鈦粉末。
實(shí)施例9:
稱取四氯化鈦0.1摩爾，蔗糖0.075摩爾，硝酸0.5摩爾，硝酸銨0.5摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于20(TC的可控溫電爐上加熱，溶液在揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，反應(yīng)得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在500'C的空氣中處理6小時(shí)。將所得物質(zhì)在1500°C、氮?dú)饬髁繛?1/min的條件下反應(yīng)2小時(shí)，所得反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理，得到氮化鈦粉末。
實(shí)施例10:
稱取四溴化鈦0.09摩爾，葡萄糖0.21摩爾，硝酸3摩爾，尿素0.5摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸鎦水，配制成溶液，將溶液置于300。C的可控溫電爐上加熱，溶液在揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在300'C的空氣中處理3小時(shí)。將所得物質(zhì)在180(TC、氮?dú)饬髁繛?1/min的條件下反應(yīng)6小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到氮化鈦粉末。
實(shí)施例11:
稱取四氯化鈦0.1摩爾，蔗糖0.05摩爾，硝酸0.2摩爾，尿素0.1摩爾，硝酸銨0.1摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于300'C的可控溫電爐上加熱，溶液在揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在40(TC的空氣中處理3小時(shí)。將所得物質(zhì)在1400°C、氮?dú)饬髁繛?1/min的條件下反應(yīng)1小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到氮化鈦粉末。實(shí)施例12:
稱取四氯化鈦0.09摩爾，葡萄糖0.12摩爾，硝酸1.5摩爾，尿素0.5摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于20(TC的可控溫電爐上加熱，溶液在經(jīng)歷揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在20(TC的空氣中處理2小時(shí)。將所得物質(zhì)在180(TC、氮?dú)饬髁繛?1/min的條件下反應(yīng)10小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到氮化鈦粉末。
實(shí)施例13:
稱取四氯化釹0.1摩爾，可溶性淀粉((C6H1()05) n) 0.1摩爾(11=1時(shí))，硝酸
0.2摩爾，尿素0.1摩爾。將上述各種物質(zhì)溶于100ml的蒸餾水，配制成溶液，將溶液置于25(TC的可控溫電爐上加熱，溶液在揮發(fā)、濃縮、冒泡等一系列過程后發(fā)生燃燒反應(yīng)，得到前驅(qū)物。將前驅(qū)物粉碎后在400'C的空氣中處理1小時(shí)。將所得物質(zhì)在170(TC、氮?dú)饬髁繛?1/min的條件下反應(yīng)4小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理得到氮化鈦粉末。
權(quán)利要求
1. 一種制備氮化鈦陶瓷粉末的方法，其特征在于具體工藝為a. 原料所采用的鈦源包括可溶性鈦鹽四氯化鈦、四溴化鈦；碳源為水溶性有機(jī)碳源，包括葡萄糖、蔗糖、檸檬酸、可溶性淀粉；所采用的氧化劑為硝酸，燃料為尿素；硝酸銨為調(diào)配劑；b. 前驅(qū)物的制備鈦鹽四氯化鈦或四溴化鈦和有機(jī)碳源的配比按照摩爾比TiC＝1(4～16)；不添加調(diào)配劑時(shí)，硝酸與尿素的摩爾比為(1～12)1；添加調(diào)配劑時(shí)，硝酸加硝酸銨與尿素加硝酸銨的摩爾比為(1～12)2，即(n硝酸+n硝酸銨)/(2n尿素+n硝酸銨)＝(1～12)2；將各種原料溶于水后，在100～600℃溫度下加熱，溶液發(fā)生燃燒反應(yīng)后得到前驅(qū)物；c. 前驅(qū)物的預(yù)處理，將所得的前驅(qū)物粉碎后，在200～800℃的溫度下預(yù)處理0～10小時(shí)；d. 前驅(qū)物的碳熱還原反應(yīng)，將步驟c得到的前驅(qū)物在800～1800℃的流動(dòng)氮?dú)鈿夥罩刑紵徇€原1～10小時(shí)，氮?dú)饬髁繛?～20l/min，反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理，得到氮化鈦粉末。
全文摘要
一種制備氮化鈦陶瓷粉末的方法，屬于陶瓷粉末制備領(lǐng)域。鈦源包括可溶性鈦鹽四氯化鈦或四溴化鈦；碳源包括葡萄糖、蔗糖、檸檬酸、可溶性淀粉；氧化劑為硝酸；燃料為尿素；硝酸銨為調(diào)配劑；鈦源和碳源的摩爾比Ti∶C＝1∶(4～16)；硝酸加硝酸銨與尿素加硝酸銨的摩爾比為(1～12)∶2。將各種原料溶于水后，在100～600℃下加熱，溶液發(fā)生燃燒反應(yīng)后得到前驅(qū)物；粉碎后，在200～800℃下預(yù)處理0～10小時(shí)后在800～1800℃的流動(dòng)氮?dú)鈿夥罩刑紵徇€原1～10小時(shí)，產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)處理，得到氮化鈦粉末。本發(fā)明前驅(qū)物中鈦源和碳源粒度細(xì)小、混合均勻，反應(yīng)活性好，降低碳熱還原反應(yīng)溫度，提高反應(yīng)速率，能制備出分散性良好的納米級(jí)非氧化物陶瓷粉末。
文檔編號(hào)C01B21/076GK101462701SQ20091007614
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者張玲艷, 曲選輝, 歐陽(yáng)明亮, 建 王, 秦明禮, 賈寶瑞 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)