高熔點導電硬陶瓷材料鉭的碳化物的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明的高熔點導電硬陶瓷材料鉭的碳化物的制備方法，屬于陶瓷材料的【技術(shù)領域】。鉭的碳化物主要組分是TaC或Ta2C。以鉭粉和碳粉為原料，經(jīng)混料壓塊、組裝、高溫高壓合成、冷卻卸壓的工藝過程制得鉭的碳化物材料；所述的高溫高壓合成，是在高壓裝置上進行，在壓力為5.2～6.0GPa、溫度為2000～2200K下保溫保壓60～180分鐘。本發(fā)明方法簡單，不采用任何助熔劑，易于實施；制備出單一相的較高純度的TaC或Ta2C；制備出的TaC材料具有高熔點、高導電率和高硬度；制備過程中有效地抑制了鉭蒸汽的產(chǎn)生，杜絕了對人員與環(huán)境造成傷害和污染；可有效地利用被淘汰的小腔體六面頂液壓機，延伸其使用年限，節(jié)省能耗。
【專利說明】高熔點導電硬陶瓷材料鉭的碳化物的制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于一種高熔點導電硬陶瓷材料的【技術(shù)領域】，特別涉及主要組分為碳化鉭 (TaC)或碳化二鉭(Ta2C)的鉭的碳化物的制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]陶瓷材料具有熔點高、耐高溫、硬度高，耐磨損，化學穩(wěn)定性高、耐氧化和腐蝕以及重量輕、彈性模量大、強度高等優(yōu)良性能，廣泛用于工模具，發(fā)動機、計算機光學器件等方面。而導電陶瓷材料還具有良好的導電能力，廣泛應用于氧化氣氛中的高溫電熱體、高溫燃料電池(HTFC)的陰極和互連材料、磁流體發(fā)電(MHD)的電極等。高熔點導電硬陶瓷材料， 主要有碳化物、硼化物和氮化物。如硬質(zhì)合金碳化鎢，被廣泛應用于多個工業(yè)領域。碳化鉭 (熔點3880°C)是另外一種重要的金屬陶瓷材料，用它做成的刀具，可耐3800°C高溫，還可用作硬質(zhì)合金晶粒細化劑，有效提高合金性能，其工業(yè)用量已達到硬質(zhì)合金產(chǎn)量的0.5-5%。
[0003]在傳統(tǒng)的制備鉭碳化合物方法中，基本上都是采用碳化法，即以五氧化二鉭和炭黑為原料制備碳化鉭。典型的制備過程為:將I摩爾五氧化二鉭和7摩爾炭黑充分混合，放入還原爐中，在氫或真空中于1500°C下加熱還原lh，即制得碳化鉭粉末。在該方法中，得到的產(chǎn)品為粉末狀。粉末狀的樣品，還不能夠形成陶瓷制品(如刀具、電極材料等)，實現(xiàn)其工業(yè)化的應用。如果制備導電硬陶瓷體材料制品，還需要對粉體材料顆粒大小進行處理、粉體材料的成型以及高溫燒結(jié)等多個復雜的工藝過程。總所周知，鉭蒸汽對于人體有毒害作用。 制備過程中如何抑制鉭蒸汽的產(chǎn)生十分重要。以C與Ta單質(zhì)粉末為原料反應燒結(jié)發(fā)生自蔓延反應時，產(chǎn)物疏松多孔，不能獲得致密TaC陶瓷。除此之外，鉭碳化合物還有類似貴金屬的電子結(jié)構(gòu)以及良好的催化作用。一般合成過渡族金屬碳化物，采用球磨法，氣相沉積法或者離子熔融法等，但是反應生成的碳化物都為粉末狀物質(zhì)，對性質(zhì)測量、工業(yè)應用都造成困難。因此，研發(fā)新的鉭碳化合物的制備方法，對拓廣該類材料的應用，具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是一次性制備出鉭的碳化物體材料，采用的方法是高壓合成方法。在該方法中，不采用任何助熔劑，主要通過原料的配比(主要是碳、鉭的化學組分)、合成溫度和壓力來調(diào)整鉭的碳化物的材料組分和純度，有效地抑制鉭蒸汽的產(chǎn)生，制備出較高純度的鉭碳化合物體材料。該方法易于實施，大大縮短了傳統(tǒng)方法的制備周期，沒有環(huán)境污染(鉭蒸汽的釋放)。
[0005]本發(fā)明所述的鉭的碳化物主要組分是TaC (碳化鉭)或Ta2C (碳化二鉭)。
[0006]本發(fā)明的合成TaC的具體技術(shù)方案時如下所述。
[0007]一種鉭的碳化物的高溫高壓制備方法，所述的鉭的碳化物主要組分是TaC ;制備方法是:以鉭粉(Ta)和碳粉(C)為原料，經(jīng)混料壓塊、組裝、高溫高壓合成、冷卻卸壓的工藝過程制得鉭的碳化物材料；所述的混料壓塊，是將鉭粉和碳粉按摩爾比1:1進行混合，按合成腔體大小壓成塊狀；所說的組裝，是將塊狀原料裝入加熱容器，放入合成腔體中；所說的高溫高壓合成，是在高壓裝置上進行，在壓力為2.0~6.0GPa、溫度為2000~2500K下保溫保壓10~180分鐘；所述的冷卻卸壓，是停止加熱后自然冷卻至室溫后卸壓。
[0008]合成TaC的最佳原料配比是鉭粉和碳粉按摩爾比為1: 1，最佳合成壓力范圍為
5.2~6.0GPa，最佳合成溫度范圍為2000~2200K，保溫保壓60~120分鐘。
[0009]所述的冷卻卸壓，還可以是停止加熱后先保壓3~8分鐘后卸壓，再自然冷卻至室溫。這樣有利于對設備的保護、減少壓機的使用時間、提高壓力的使用效率。
[0010]本發(fā)明的合成Ta2C的具體技術(shù)方案時如下所述。
[0011]一種鉭的碳化物的高溫高壓制備方法，所述的鉭的碳化物主要組分是Ta2C ;制備方法是:以鉭粉(Ta)和碳粉(C)為原料，經(jīng)混料壓塊、組裝、高溫高壓合成、冷卻卸壓的工藝過程制得鉭的碳化物材料；所述的混料壓塊，是將鉭粉和碳粉按摩爾比2: I進行混合，按合成腔體大小壓成塊狀；所說的組裝，是將塊狀原料裝入加熱容器，放入合成腔體中；所說的高溫高壓合成，是在高壓裝置上進行，在壓力為5.2GPa、溫度為2100K下保溫保壓60分鐘；所述的冷卻卸壓，是停止加熱后自然冷卻至室溫后卸壓。
[0012]所述的冷卻卸壓，還可以是停止加熱后先保壓3~8分鐘后卸壓，再自然冷卻至室溫。這樣有利于對設備的保護、減少壓機的使用時間、提高壓力的使用效率。
[0013]本發(fā)明的合成實驗可以在國產(chǎn)DS029B型六面頂壓機上完成。實驗表明，合成壓力的大小、溫度、原材料的配比是影響鉭的碳化物材料相及其純度的重要因素。為了保持樣品腔體溫度均勻性，組裝可以是旁熱式加熱方式；為了使合成鉭的碳化物材料及原料在制備中不被氧化，合成腔體內(nèi)可以充氬氣保護。
[0014]本發(fā)明方法簡單，易于實施；不采用任何(比如金屬鋁等)助熔劑；通過原料的配 t匕、合成溫度和壓力來調(diào)整TaC或Ta2C材料的組分及其純度，并制備出單一相的較高純度的TaC或Ta2C。本發(fā)明合成的產(chǎn)物是體材料，可直接對材料性質(zhì)進行測量、在工業(yè)上直接加工出制品，而避免了對產(chǎn)品測試和加工時的成型以及高溫燒結(jié)等復雜的工藝過程。制備出的TaC材料具有高熔點(3880°C)、高導電率(0.72X 106S/m)和高硬度(見圖7)。并且在制備過程中有效地抑制了鉭蒸汽的產(chǎn)生，杜絕了對人員與環(huán)境造成傷害和污染。本發(fā)明還可有效地利用我國超硬材料行業(yè)淘汰的小腔體六面頂液壓機高壓設備作為生產(chǎn)設備，延伸現(xiàn)有設備的使用年限。我國有多個超硬材料生產(chǎn)廠家，隨著高壓技術(shù)的發(fā)展和超硬材料技術(shù)的發(fā)展，原有的六面頂液壓機高壓設備由于腔體小，產(chǎn)量低，已逐漸被淘汰出超硬材料生產(chǎn)行業(yè)。目前處理該類設備的唯一方法就是回收該設備并重新回爐熔煉處理。該技術(shù)發(fā)明必將為企業(yè)帶來額外的利潤，并為國家節(jié)省能耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實施例1制備的鉭碳化合物X光衍射圖。
[0016]圖2是本發(fā)明實施例2制備的鉭碳化合物X光衍射圖。
[0017]圖3是本發(fā)明實施例3制備的鉭碳化合物X光衍射圖。
[0018]圖4是本發(fā)明實施例4制備的鉭碳化合物X光衍射圖。
[0019]圖5是本發(fā)明實施例5制備的鉭碳化合物X光衍射圖。
[0020]圖6是本發(fā)明實施例6制備的鉭碳化合物X光衍射圖。[0021 ] 圖7是本發(fā)明實施例2鉭碳化合物TaC的硬度測試。
【具體實施方式】
[0022]以下實施例都是在國產(chǎn)DS029B型六面頂壓機上完成的。
[0023]實施例1
[0024]將分析純的粒度I~5微米的鉭粉(Ta)與粒度I~5微米的碳粉(C)按摩爾比1: 1混合，粉壓成型后，將樣品裝入高壓腔體中。組裝腔體中用石墨作加熱管，用葉臘石做絕緣管，合成壓力為2GPa，溫度2000K，保壓保溫時間180分鐘，停止加熱后樣品自然冷卻至室溫后卸壓，此條件制備出的組分主要為TaC。具體的X光結(jié)果見圖1。
[0025]實施例2
[0026]采用與實施例1相同的原材料粉，按摩爾比1:1混合，粉壓成型后，采用與實施例I相同的組裝，合成壓力為5.2GPa，溫度2200K，保壓保溫時間60分鐘，停止加熱后樣品自然冷卻至室溫后卸壓，此條件制備出純相的TaC (結(jié)晶程度最好)。具體的X光結(jié)果見圖2。
[0027]實施例3
[0028]采用與實施例1相同的組裝與原材料，按摩爾比1:1混合，合成壓力為5.2GPa， 溫度2200K，保壓保溫時間120分鐘，停止加熱后樣品自然冷卻至室溫后卸壓，此條件制備出的鉭碳化合物為TaC (結(jié)晶程度很好)。具體的X光結(jié)果見圖3。
[0029]實施例4
[0030]采用與實施例1相同的組裝與原材料，按摩爾比1:1混合，合成壓力為6GPa，溫度2200K，保壓保溫時間180分鐘，停止加熱后樣品自然冷卻至室溫后卸壓，此條件制備出的鉭碳化合物為TaC (結(jié)晶程度較好)。具體的X光結(jié)果見圖4。
[0031]實施例5
[0032]采用與實施例1相同的組裝與原材料，按摩爾比1:1混合，合成壓力為6GPa，溫度2500K，保壓保溫時間10分鐘，停止加熱后樣品自然冷卻至室溫后卸壓，此條件制備出的組分主要為TaC (結(jié)晶程度一般)。具體的X光結(jié)果見圖5。
[0033]實施例6
[0034]采用與實施例1相同的組裝與原材料，按摩爾比2: I混合，合成壓力為5.2GPa， 溫度2100K，保壓保溫時間60分鐘，停止加熱后樣品自然冷卻至室溫后卸壓，此條件制備出的組分主要為Ta2C (結(jié)晶程度一般)。具體的X光結(jié)果見圖6。
[0035]實施例7
[0036]采用本發(fā)明方法制備出TaC，對其表明進行拋光處理后，可直接進行硬度測試(在常溫常壓下，用AHVD-1000XY型顯微硬度儀進行測試)。實施例2和實施例3合成的TaC具有相同的測試結(jié)果，具體測試結(jié)果見圖7。
【權(quán)利要求】
1.一種鉭的碳化物的高溫高壓制備方法，所述的鉭的碳化物主要組分是TaC ;制備方法是:以鉭粉和碳粉為原料，經(jīng)混料壓塊、組裝、高溫高壓合成、冷卻卸壓的工藝過程制得鉭的碳化物材料；所述的混料壓塊，是將鉭粉和碳粉按摩爾比1:1進行混合，按合成腔體大小壓成塊狀；所述的組裝，是將塊狀原料裝入加熱容器，放入合成腔體中；所述的高溫高壓合成，是在高壓裝置上進行，在壓力為2.0~6.0GPa、溫度為2000~2500K下保溫保壓10~ 180分鐘；所述的冷卻卸壓，是停止加熱后自然冷卻至室溫后卸壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉭的碳化物的高溫高壓制備方法，其特征是，所述的高溫高壓合成，是在壓力為5.2~6.0GPa、溫度為2000~2200K下保溫保壓60~120分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉭的碳化物的高溫高壓制備方法，其特征是，所述的冷卻卸壓，是停止加熱后先保壓3~8分鐘后卸壓，再自然冷卻至室溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉭的碳化物的高溫高壓制備方法，其特征是，所述的組裝，合成腔體內(nèi)充氬氣保護。
5.一種鉭的碳化物的高溫高壓制備方法，所述的鉭的碳化物主要組分是Ta2C ;制備方法是:以鉭粉和碳粉為原料，經(jīng)混料壓塊、組裝、高溫高壓合成、冷卻卸壓的工藝過程制得鉭的碳化物材料；所述的混料壓塊，是將鉭粉和碳粉按摩爾比2: I進行混合，按合成腔體大小壓成塊狀；所說的組裝，是將塊狀原料裝入加熱容器，放入合成腔體中；所說的高溫高壓合成，是在高壓裝置上進行，在壓力為5.2GPa、溫度為2100K下保溫保壓60分鐘；所述的冷卻卸壓，是停止加熱后自然冷卻至室溫后卸壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鉭的碳化物的高溫高壓制備方法，其特征是，所述的冷卻卸壓，是停止加熱后先保壓3~8分鐘后卸壓，再自然冷卻至室溫。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述`的鉭的碳化物的高溫高壓制備方法，其特征是，所述的組裝，合成腔體內(nèi)充氬氣保護。
【文檔編號】C01B31/30GK103601188SQ201310636225
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月30日
【發(fā)明者】崔田, 呂云洲, 朱品文, 劉冰冰, 何志 申請人:吉林大學