一種納米氮化鈦粉體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種納米氮化鈦的制備方法，其特征在于步驟為：1）四氯化鈦與無水已醇溶劑按摩爾比為1:10~1:1配制為鈦化合物醇溶液；2）將鈦化合物醇溶液加入一定比例的尿素制備成膠體，其中尿素與四氯化鈦的摩爾比為2:1~10:1；3）將尿素與鈦化合物構(gòu)成的膠體經(jīng)陳化后，將膠體在保護(hù)氣氛下在600-1000℃溫度下處理時(shí)間2~10小時(shí)即可得到納米氮化鈦粉體。本發(fā)明與傳統(tǒng)的制備方法相比，具有合成原料來源廣泛、成本低廉、制備流程簡(jiǎn)單，合成溫度低等優(yōu)點(diǎn)，所制備的納米氮化鈦粉體平均粒徑為3-20nm，粒徑分布窄，分散性良好，在工業(yè)化生產(chǎn)中具有較廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種納米氮化鈦粉體的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米粉體制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是涉及一種膠體法制備納米氮化鈦粉體的工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鈦是一種用途廣泛的超硬材料，理想化學(xué)計(jì)量比的塊體TiN屬于立方晶系，呈金黃色，且具有金屬光澤，密度為5.22g/cm3，熔點(diǎn)2930°C，顯微硬度約為21GPa，彈性模量約為590GPa，線膨脹系數(shù)為9.35X10_6/°C (20~1000/°C )，導(dǎo)熱率為19.3W/(m.K)(20°0，電阻率為25.(^ Ω.cm，不溶于水、酸，微溶于熱王水與氫氟酸混合液。因其具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐酸性侵蝕、耐磨損以及良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等一系列優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械加工刀具、刃具、各種材料成型模具和耐磨部件的耐磨涂層以及各種金屬部件都有廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前制備氮化鈦粉體的方法有直接氮化法、二氧化鈦碳熱還原氮化法、氣相法、自蔓延高溫合成法、機(jī)械合金化法等方法。直接氮化法是以鈦粉或TiH2粉為原料，在氫氣存在的條件與氮?dú)饣虬睔夥磻?yīng)生成氮化鈦粉，合成溫度為1000~1400°C。直接氮化法工藝簡(jiǎn)單，合成氮化鈦氮含量高，但以金屬為原料的直接氮化法，要經(jīng)歷高溫熔融過程，且反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，容易產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象。二氧化鈦還原氮化法是在氮?dú)饣虬睔獯嬖跅l件下碳熱還原氮化二氧化鈦制備氮化鈦。二氧化鈦還原氮化法由于使用二氧化鈦為原料，需經(jīng)過四價(jià)鈦還原成三價(jià)鈦的過程，這一過程需要較高的溫度。氣相法是指用四氯化鈦與氮或分解氨在1300°C以上的反應(yīng)溫度制備高純氮化鈦粉末，也可以使用氣相鈉或者鎂作為還原劑還原四氯化鈦之后得到納米 級(jí)的鈦粉然后氮化合成氮化鈦。這種方法制備的氮化鈦粉體粒徑小，氧含量低，具有較高的活性。但是由于使用氣相鈉和鎂，此法制備效率低、成本高。自蔓延高溫合成法是指使用純金屬粉或者二氧化鈦與金屬粉為原料，在氮?dú)夥諊逻M(jìn)行燃燒合成。這種方法由于使用高純鈦粉或者需要加入金屬粉作為還原劑還原二氧化鈦，制備成本較高。機(jī)械合金法是用鈦粉在氮?dú)饣蛘甙睔鈿夥障赂吣芮蚰ィ铣杉{米氮化鈦粉體的方法，這種方法由于采用球磨法，制備的粉體粒徑較大，且粒徑分布不均勻。
[0004]綜上所述，以上方法制備氮化鈦粉體的方法，都存在不同程度的缺陷，比如:采用氨氣作為氮源，對(duì)設(shè)備的耐腐蝕性能有較高的要求；合成溫度比較高；制備出的氮化鈦粉體粒度比較大；工藝繁瑣等。因此需研發(fā)出一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、合成溫度低，粒徑小且分布均勻的納米氮化鈦粉體的制備方法，來克服上述缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述的技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、合成溫度低，粒徑小且分布均勻的納米氮化鈦粉體的制備方法。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種納米氮化鈦粉體的制備方法，其特征在于步驟為:[0007]1)四氯化鈦與無水已醇溶劑按摩爾比為l:l(Tl:l配制為鈦化合物醇溶液；
[0008]2)將鈦化合物醇溶液加入一定比例的尿素制備成膠體，其中尿素與四氯化鈦的摩爾比為2:1~10:1 ；
[0009]3)將尿素與鈦化合物構(gòu)成的膠體經(jīng)陳化后，置于烘箱內(nèi)干燥去除過量乙醇；
[0010]4)膠體烘干為玻璃態(tài)物質(zhì)后，移至管式爐內(nèi)，在保護(hù)氣氛下，在60(T100(rC溫度下處理時(shí)間2~10小時(shí)即可得到納米氮化鈦粉體。
[0011]作為改進(jìn)，所述步驟3)中膠體的陳化時(shí)間為2~30小時(shí)。
[0012]再改進(jìn)，所述步驟3)中烘箱內(nèi)溫度為55飛5°C，干燥時(shí)間為46飛O小時(shí)。
[0013]最后,所述步驟4)中的保護(hù)氣氛優(yōu)選為氮?dú)?、氦氣或氬氣中的一種,保護(hù)氣氛的流量為35~45sccm。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:采用膠體法進(jìn)行制備，使用鈦鹽為前驅(qū)體，醇溶液為溶劑，尿素為氮源和還原劑，對(duì)設(shè)備要求低，工藝簡(jiǎn)單，原料易得，成本低廉，易工業(yè)化生產(chǎn)；并且本發(fā)明在制備過程中無氧化物中間體，氧含量少，用此法所制備的納米氮化鈦粉體平均粒徑為3~20nm，粒徑分布窄，分散性良好。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為實(shí)施例1中所得氮化鈦納米粉體的X射線衍射圖；
[0016]圖2為實(shí)施例2中所得氮化鈦納米粉體的X射線衍射圖；
[0017]圖3為實(shí)施例3中所得氮化鈦納米粉體的X射線衍射圖；
[0018]圖4為實(shí)施例4中所得氮化鈦納米粉體的X射線衍射圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0020]實(shí)施例1
[0021]1Oml四氯化鈦小心加入20ml無水乙醇中，四氯化鈦與乙醇劇烈反應(yīng)后得到澄清溶液。將所得溶液邊攪拌邊緩緩加入18g尿素，待尿素完全溶解于四氯化鈦與乙醇溶液中后停止攪拌，所得膠體室溫下并陳化24小時(shí)。24小時(shí)后將上述膠體置于烘箱內(nèi)干燥去除過量乙醇，烘箱內(nèi)溫度為60°C，干燥時(shí)間為48小時(shí)。膠體烘干后為玻璃態(tài)物質(zhì)，將上述玻璃態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)移至管式爐內(nèi)，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繛?0sCCm，預(yù)通I小時(shí)氮?dú)夂?，將管式爐以5°C /分鐘的升溫速率升溫至900°C，并在900°C保溫2小時(shí)。保溫后管式爐自然冷卻至室溫。待管式爐冷卻至室溫后所得樣品無需進(jìn)一步處理即為納米氮化鈦粉體。圖1給出了所得納米氮化鈦粉體的X射線衍射圖，其衍射峰為氮化鈦特征峰，無氧化物雜峰，證實(shí)為粉體為氮化鈦，由Scherrer公式計(jì)算出納米氮化鈦粉體晶粒尺寸為12.4納米。
[0022]實(shí)施例2
[0023]1Oml四氯化鈦小心加入50ml無水乙醇中，四氯化鈦與乙醇劇烈反應(yīng)后得到澄清溶液。將所得溶液邊攪拌邊緩緩加入34g尿素，待尿素完全溶解于四氯化鈦與乙醇溶液中后停止攪拌，所得膠體室溫下并陳化24小時(shí)。24小時(shí)后將上述膠體置于烘箱內(nèi)干燥去除過量乙醇，烘箱內(nèi)溫度為60°C，干燥時(shí)間為48小時(shí)。膠體烘干后為玻璃態(tài)物質(zhì)，將上述玻璃態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)移至管式爐內(nèi)，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繛?0sCCm，預(yù)通I小時(shí)氮?dú)夂?，將管式爐以5°C /分鐘的升溫速率升溫至900°C，并在900°C保溫2小時(shí)。保溫后管式爐自然冷卻至室溫。待管式爐冷卻至室溫后所得樣品無需進(jìn)一步處理即為納米氮化鈦粉體。圖1給出了所得納米氮化鈦粉體的X射線衍射圖，其衍射峰為氮化鈦特征峰，無氧化物雜峰，證實(shí)為粉體為氮化鈦，由Scherrer公式計(jì)算出納米氮化鈦粉體晶粒尺寸為12納米。圖2給出了所得納米氮化鈦粉體的X射線衍射圖，其衍射峰為氮化鈦特征峰，無氧化物雜峰，證實(shí)為粉體為氮化鈦，由Scherrer公式計(jì)算出納米氮化鈦粉體晶粒尺寸為12.3納米。
[0024]實(shí)施例3
[0025]IOml四氯化鈦小心加入5ml無水乙醇中，四氯化鈦與乙醇劇烈反應(yīng)后得到澄清溶液。將所得溶液邊攪拌邊緩緩加入18g尿素，待尿素完全溶解于四氯化鈦與乙醇溶液中后停止攪拌，所得膠體室溫下并陳化2小時(shí)。2小時(shí)后將上述膠體置于烘箱內(nèi)干燥去除過量乙醇，烘箱內(nèi)溫度為60°C，干燥時(shí)間為48小時(shí)。膠體烘干后為玻璃態(tài)物質(zhì)，將上述玻璃態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)移至管式爐內(nèi)，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繛?0sCCm，預(yù)通I小時(shí)氮?dú)夂螅瑢⒐苁綘t以5°C /分鐘的升溫速率升溫至650°C，并在650°C保溫2小時(shí)。保溫后管式爐自然冷卻至室溫。待管式爐冷卻至室溫后所得樣品無需進(jìn)一步處理即為納米氮化鈦粉體。圖3給出了所得納米氮化鈦粉體的X射線衍射圖，其衍射峰為氮化鈦特征峰，無氧化物雜峰，證實(shí)為粉體為氮化鈦，由Scherrer公式計(jì)算出納米氮化鈦粉體晶粒尺寸為3.76納米。
[0026]實(shí)施例4
[0027]IOml四氯化鈦小心加入IOml無水乙醇中，四氯化鈦與乙醇劇烈反應(yīng)后得到澄清溶液。將所得溶液邊攪拌邊緩緩加入34g尿素，待尿素完全溶解于四氯化鈦與乙醇溶液中后停止攪拌，所得膠體室溫下并陳化24小時(shí)。24小時(shí)后將上述膠體置于烘箱內(nèi)干燥去除過量乙醇，烘箱內(nèi)溫度為60°C，干燥時(shí)間為48小時(shí)。膠體烘干后為玻璃態(tài)物質(zhì)，將上述玻璃態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)移至管式爐內(nèi)，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繛?0sCCm，預(yù)通I小時(shí)氮?dú)夂螅瑢⒐苁綘t以5°C /分鐘的升溫速率升溫至800°C， 并在600°C保溫2小時(shí)。保溫后管式爐自然冷卻至室溫。待管式爐冷卻至室溫后所得樣品無需進(jìn)一步處理即為納米氮化鈦粉體。圖4給出了所得納米氮化鈦粉體的X射線衍射圖，其衍射峰為氮化鈦特征峰，無氧化物雜峰，證實(shí)為粉體為氮化鈦，由Scherrer公式計(jì)算出納米氮化鈦粉體晶粒尺寸為11.7納米。
【權(quán)利要求】
1.一種納米氮化鈦粉體的制備方法，其特征在于步驟為: O四氯化鈦與無水已醇溶劑按摩爾比為l:l(Tl:l配制為鈦化合物醇溶液； 2)將鈦化合物醇溶液加入一定比例的尿素制備成膠體，其中尿素與四氯化鈦的摩爾比為 2:1~10:1 ； 3)將尿素與鈦化合物構(gòu)成的膠體經(jīng)陳化后，置于烘箱內(nèi)干燥去除過量乙醇； 4)膠體烘干為玻璃態(tài)物質(zhì)后，移至管式爐內(nèi)，在保護(hù)氣氛下，在60(Ti00(rc溫度下處理時(shí)間2~10小時(shí)即可得到納米氮化鈦粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟3)中膠體的陳化時(shí)間為2~30小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟3)中烘箱內(nèi)溫度為55~65°C，干燥時(shí)間為46~50小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述步驟4)中的保護(hù)氣氛為氮?dú)?、氦氣或氬氣中的一種，保護(hù)氣氛的流量為35~45`sccm。
【文檔編號(hào)】C01B21/076GK103864030SQ201210537399
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月11日
【發(fā)明者】孔令民, 劉永剛, 李 瑞, 井少杰, 鐘思聰, 陳婷婷, 宗兆存, 王世來, 姚建明 申請(qǐng)人:浙江海洋學(xué)院, 齊齊哈爾大學(xué)