本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)微晶材料制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶的制備方法。

背景技術(shù)：

氮化釩(VN)具有高的熱化學(xué)穩(wěn)定性和強(qiáng)的機(jī)械耐磨性，廣泛用于切削工具、磨具和結(jié)構(gòu)材料；VN也是一種良好的催化劑，具有高催化活性、高選擇性、良好的穩(wěn)定性和抗中毒性能。在VN的應(yīng)用研究中，不同尺寸大小和不同形貌VN晶體所具有的表面特性、結(jié)晶過(guò)程以及催化活性等物理化學(xué)性質(zhì)也存在明顯的差異，其形貌各向異性結(jié)構(gòu)材料(包括納米管、納米線、納米棒、納米帶及特殊形貌等)及其多尺度組裝體在材料研究領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注，因而獲得不同形貌的納米或者微米結(jié)構(gòu)的VN成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。

迄今為止，在特定的反應(yīng)條件下，已成功制備出各種具有特殊形貌的VN。如在大氣壓下用N₂/Ar/H₂微波等離子焰分解氣態(tài)的VOCl₅,得到球形的納米顆粒；常溫下讓VCl₄和NaNH₂反應(yīng)，得到中空球狀氮化釩顆粒；采用靜電紡絲技術(shù)已制備氮化釩納米帶、納米纖維；離子濺射法得到氮化釩薄膜等。因此，不同形貌VN的制備是其優(yōu)異性能得以充分實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，同時(shí)如果能有效控制VN的形貌，使其呈現(xiàn)出一定的特殊結(jié)晶形態(tài)，則能更好的擴(kuò)展VN的應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題，是提供一種簡(jiǎn)單高效、穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)的直流電弧等離子體放電法，在不使用任何模板情況下，快速制備自組裝三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶。

直流電弧放電裝置結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。圖1中1為玻璃真空鐘罩，2為冷凝壁，是套筒式結(jié)構(gòu)以便通循環(huán)冷卻水，3為鎢棒陰極，4為內(nèi)嵌石墨鍋(與銅鍋一起構(gòu)成陽(yáng)極)，5為銅鍋陽(yáng)極，銅鍋陽(yáng)極也有夾層以便通循環(huán)冷卻水，6為進(jìn)水口，7為出水口，8為進(jìn)氣口，9為出氣口。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶的制備方法，在直流電弧放電裝置中進(jìn)行制備；首先將金屬釩粉末壓成形狀大小與石墨鍋契合的金屬釩片，把金屬釩片放入石墨鍋，再把石墨鍋放入直流電弧反應(yīng)腔室的陽(yáng)極銅鍋中，陰極鎢棒固定懸于石墨鍋上方，并將反應(yīng)腔室處于真空狀態(tài)；其次，在冷凝壁套筒和陽(yáng)極銅鍋夾層中通入循環(huán)冷卻水，向反應(yīng)腔室通入氮?dú)?，再進(jìn)行起弧放電，保持電流110～120A，反應(yīng)15～30分鐘后切斷電源；最后繼續(xù)通循環(huán)冷卻水，并在氮?dú)鈿夥罩欣鋮s至室溫，在石墨鍋處收集樣品，獲得純凈的三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶。

所述的反應(yīng)腔室通入氮?dú)?，是使反?yīng)腔室內(nèi)氮?dú)鈿鈮荷?0kPa并保持不變。

起弧放電過(guò)程中，在冷凝壁套筒和陽(yáng)極銅鍋夾層中通入循環(huán)冷卻水是制備氮化釩的必要條件。一方面，由于冷卻水的作用，使反應(yīng)腔內(nèi)各處與極間區(qū)域產(chǎn)生反應(yīng)環(huán)境所需的溫度梯度場(chǎng)。另一方面，當(dāng)切斷高壓電源后，石墨鍋仍具有很高的溫度，保持循環(huán)冷卻水開(kāi)路，降溫的同時(shí)也起到淬火的作用。伴隨氮?dú)鈿夥罩械拟g化，最終可得到純凈無(wú)雜質(zhì)的三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶。

所述的在氮?dú)鈿夥罩欣鋮s，是在氮?dú)鈿夥罩欣鋮s鈍化6小時(shí)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：本發(fā)明采用直流電弧等離子體放電法，制備工藝簡(jiǎn)單高效、穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)、重復(fù)性高；首次成功地一步制備出三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶，得到的樣品純度高，形貌新穎，有良好的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1直流電弧等離子體放電裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶的X射線衍射(XRD)譜圖。

圖3三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖。

圖4三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶的局部掃描式電子顯微鏡(SEM)放大圖。圖中長(zhǎng)方形區(qū)域?yàn)殡娮幽茏V的選區(qū)。

圖5三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶的選區(qū)電子能譜分析(EDS)圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)更易于理解，下面結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳盡闡述。但以下關(guān)于實(shí)施例的描述及說(shuō)明對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。

實(shí)施例1

稱量3.2g高純金屬釩粉末，用壓片機(jī)壓成高7mm，直徑12mm的圓柱形金屬釩片；把金屬釩片放入和自身形狀大小完全契合的石墨鍋內(nèi)，再把石墨鍋放入直流電弧反應(yīng)腔室的陽(yáng)極銅鍋中，陰極鎢棒固定懸于石墨鍋正中間上方1.5cm處，將反應(yīng)腔室處于真空狀態(tài)；循環(huán)冷卻水保護(hù)狀態(tài)下，通入反應(yīng)氣氮?dú)?0kPa，進(jìn)行起弧放電，保持電流115A，反應(yīng)15～30分鐘后切斷電源，在氮?dú)鈿夥罩欣鋮s鈍化6小時(shí)(基本冷卻到室溫)，在石墨鍋處收集樣品，可獲得純凈的三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶。

圖2是實(shí)施例制得的三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶的X射線衍射(XRD)譜圖，所有衍射峰位置與JCPDS標(biāo)準(zhǔn)卡片比對(duì)可知，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)雜相峰，獲得的產(chǎn)物純凈無(wú)雜質(zhì)，為面心立方結(jié)構(gòu)的氮化釩。三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶的掃描式電子顯微鏡(SEM)譜圖見(jiàn)圖3所示，產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)單元單分散性較好、形貌均一、表面清潔無(wú)雜質(zhì)、形似三維樹(shù)葉錐狀，即三棱錐體由片層狀氮化釩堆積而成，片層厚50nm，片層間距50nm，錐面成樹(shù)葉狀，葉長(zhǎng)3～12μm，葉寬2～8μm。圖4給出三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶的局部掃描式電子顯微鏡(SEM)放大圖。從圖中清晰可見(jiàn)，VN微晶的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一為軸對(duì)稱的三棱樹(shù)葉狀。圖5和表1為三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶的選區(qū)電子能譜分析(EDS)譜圖和測(cè)試分析結(jié)果列表，由圖表可知，三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶只由V和N兩種元素組成，且原子比例接近1:1，與XRD獲得的數(shù)據(jù)很好的吻合。

表1三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶的選區(qū)電子能譜分析(EDS)參數(shù)及結(jié)果。

在氮?dú)鈿鈮?0kPa條件下，放電電流比115A高5A和低5A的范圍內(nèi)，也能夠得到純凈無(wú)雜質(zhì)的三維樹(shù)葉錐狀氮化釩微晶。

以上所述的實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。