一種W包覆TiC納米級複合粉體的製備方法

2023-05-11 05:03:31 2

一種W包覆TiC納米級複合粉體的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種W包覆TiC納米級複合粉體的製備方法，包括前驅體的製備和還原反應各單元過程：所述前驅體的製備是將TiC粉末加入草酸溶液中超聲分散20-30min，然後加入仲鎢酸銨，於155-185℃恆溫攪拌反應90-240min，乾燥後得到W/TiC前驅體；所述還原反應是將W/TiC前驅體置於管式燒結爐中，在氫氣氣氛中燒結後得到W包覆TiC複合粉體。本發明方法使TiC呈現被W包覆的狀態彌散分布在W基體中，解決TiC顆粒在W表面聚集和在晶界造成的應力集中問題。製備出的納米級W/TiC複合粉體，在燒結時可以低溫緻密化；且TiC的彌散分布可以強化W基體，滿足高溫下的使用。
【專利說明】—種W包覆TiC納米級複合粉體的製備方法
一、【技術領域】
[0001]本發明涉及一種納米粉體的製備方法,具體地說是一種W包覆TiC納米級複合粉體的製備方法。
二、【背景技術】
[0002]面對不可再生能源預見性的枯竭，可再生能源低產低效。人類利用磁性約束託卡馬克裝置實現對等離子體在高溫下的控制，利用核聚變能來解決人類能源危機。直接面對這種高溫等離子體的第一壁材料需要承受聚變堆高熱負荷、高粒子通量和中子負載等苛刻條件。W及W合金因其具有高熔點(3410°C )、高導熱率、高密度、低的熱膨脹係數、低蒸氣壓、低氚滯留、低濺射產額和高自濺射閥值等優異性能，故被認為是今後核聚變裝置最有前途的面對等離子體第一壁材料。然而，W存在很多脆性問題:低溫脆性、再結晶脆性和輻照脆性等。為了解決這些問題，一般在W基體中添加第二相(如一些稀土氧化物和一些碳化物)對材料進行強化，而用TiC納米顆粒彌散強化是比較常用的第二相顆粒。
[0003]一般用機械合金化製備超細W/TiC複合粉末，這種方法製備簡單，也能得到TiC分布均勻的複合粉體。然而，在這種高能球磨過程中容易引入雜質，嚴重影響W基材料的性能。另外，高能球磨後的粉體在其表面產生很高的表面能，TiC顆粒在W的表面聚集，高溫燒結後，TiC在W晶界上形成。這種狀態的W基複合材料容易在晶界處產生裂紋，在受力時容易產生應力集中導致材料失效。不能滿足面對等離子體第一壁材料的應用。
[0004]改變TiC顆粒在W表面聚集的狀態，製備W包覆TiC顆粒的複合粉體，不但能夠使TiC均勻分布，避免團聚改善上述問題；而且可以減少雜質的引入，控制TiC的成分。
三、
【發明內容】

[0005]本發明旨在提供一種W包覆TiC納米級複合粉體的製備方法，使TiC呈現被W包覆的狀態彌散分布在W基體中，解決TiC顆粒在W表面聚集和在晶界造成的應力集中問題。製備出的納米級W/TiC複合粉體，在燒結時可以低溫緻密化；且TiC的彌散分布可以強化W基體，滿足高溫下的使用。
[0006]本發明解決技術問題採用的技術方案如下:
[0007]本發明W包覆TiC納米級複合粉體的製備方法，包括前驅體的製備和還原反應各單元過程:
[0008]所述前驅體的製備是將TiC粉末加入草酸溶液中超聲分散20-30min，使其彌散分布，草酸溶液的濃度為84-134g/L，TiC粉的添加量為0.833g/L ;然後加入仲鎢酸銨，仲鎢酸銨的添加量為56-114.3g/L，於155-185°C恆溫攪拌反應90-240min，乾燥後得到W/TiC前驅體；恆溫攪拌裝置採用的是集熱式恆溫磁力攪拌器，型號:DF-101S，其工作參數是:加熱功率為500W，點機功率30W，攪拌容量2000mL，轉速0_2600r/min。
[0009]所述還原反應是將W/TiC前驅體置於管式燒結爐中，在氫氣氣氛中燒結後得到W包覆TiC複合粉體。在燒結過程中保持氫氣的流通。氫氣氣氛中H2的含量> 99.999%。[0010]前驅體的製備過程中所述超聲分散的超聲頻率為40KHz，功率為100-400W。
[0011]還原反應過程中所述燒結是首先升溫至20(TC保溫30min，然後升溫至50(TC保溫60min，再升溫至800°C保溫60min，降溫至500°C後隨爐自然冷卻。燒結過程中的升溫速率為5°C /min,降溫速率為5°C /min。本發明採用上述燒結工藝所獲得的W包覆TiC納米級複合粉體尺寸均勻，純度高。
[0012]本發明選用草酸和仲鎢酸銨在一定溫度的條件下發生化學反應，蒸髮結晶得到W/TiC前驅體粉末。草酸不會立即和仲鎢酸銨發生反應，可以有足夠的時間在TiC粉體表面形核，實現W包覆TiC的結構。在氫氣氣氛下還原，W原位形核得到W包覆TiC複合粉體。
[0013]本發明方法製備的W包覆TiC複合粉體，在W和TiC成分上可控，同時純度非常的高。本發明方法避免了機械球磨引入的雜質，製備的粉體均勻化程度高，粒度約為lOOnm。
四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1 (a)是W包覆TiC複合粉體的FE-SEM，圖1 (b)是W包覆TiC複合粉體的XRD圖譜。由圖1可知，本發明方法製備出的W包覆TiC複合粉體顆粒均勻，粒度約為lOOnm，且純度大於98%。在XRD中未能看到TiC的峰譜，說明TiC的添加量低。
[0015]圖2 (a)是W包覆TiC複合粉體的的TEM圖；圖2(b)為圖2(a)中圓區域的HRTEM圖，插圖為衍射環圖。從圖2(a)可知TiC顆粒被更細小的W納米顆粒包覆，圖2(a)更一步驗證了顆粒的中心部位是TiC,表面包覆著納米W顆粒。
五、【具體實施方式】
[0016]實施例1:
[0017]l、W/TiC前驅體的製備
[0018]將0.0250g TiC粉末加入25_50ml草酸溶液中(草酸含量3.00g)，超聲分散30分鐘使其彌散分布，超聲頻率為40KHz，功率為100W ;然後加入3.43g的仲鎢酸銨，在165°C油浴鍋中反應180分鐘，其間不斷用玻璃棒攪拌，使TiC粉末進一步分散，乾燥後得到W/TiC前驅體。
[0019]2、H2 還原
[0020]將得到的W/TiC前驅體先在瑪瑙研缽中研細，然後放入管式中溫燒結爐中，先升溫至200°C保溫30min,然後升溫至500°C保溫60min,再升溫至800°C保溫60min,降溫至500°C後隨爐冷卻，得到W包覆TiC複合粉體，簡記為W-lwt%TiC複合粉體(指複合粉體中TiC的含量為lwt%，下同)。燒結過程中的升溫速率為5°C /min,降溫速率為5°C /min。燒結的過程中一直保持氫氣的流通。
[0021]本實施例製備的W/TiC納米粉體，在W和TiC成分上可控，純度大於99%。
[0022]實施例2:
[0023]l、W/TiC前驅體的製備
[0024]將0.0250g TiC粉末加入25_50ml草酸溶液中(草酸含量2.00g)，超聲分散30分鐘使其彌散分布，超聲頻率為40KHz，功率為100W ;然後加入1.70g的仲鎢酸銨，在165°C油浴鍋中反應120分鐘，其間不斷用玻璃棒攪拌，使TiC粉末進一步分散，乾燥後得到W/TiC前驅體。[0025]2、H2 還原
[0026]將得到的W/TiC前驅體先在瑪瑙研缽中研細，然後放入管式中溫燒結爐中，先升溫至200°C保溫30min,然後升溫至500°C保溫60min,再升溫至800°C保溫60min,降溫至500°C後隨爐冷卻，得到W包覆TiC複合粉體，簡記為W-2wt%TiC複合粉體。燒結過程中的升溫速率為5°C /min,降溫速率為5°C /min。燒結的過程中一直保持氫氣的流通。
[0027]本實施例製備的W/TiC納米粉體，在W和TiC成分上可控，純度大於98%。
[0028]實施例3:
[0029]l、W/TiC前驅體的製備
[0030]將0.0250g TiC粉末加入25-50ml草酸溶液中(草酸含量1.500g)，超聲分散30分鐘使其彌散分布，超聲頻率為40KHz，功率為100W ;然後加入1.12g的仲鎢酸銨，在165°C油浴鍋中反應100分鐘，其間不斷用玻璃棒攪拌，使TiC粉末進一步分散，乾燥後得到W/TiC前驅體。
[0031]2、H2 還原
[0032]將得到的W/TiC前驅體先在瑪瑙研缽中研細，然後放入管式中溫燒結爐中，先升溫至200°C保溫30min,然後升溫至500°C保溫60min,再升溫至800°C保溫60min,降溫至500°C後隨爐冷卻，得到W包覆TiC複合粉體，簡記為W-3wt%TiC複合粉體。燒結過程中的升溫速率為5°C /min,降溫速率為5°C /min。燒結的過程中一直保持氫氣的流通。
[0033]本實施例製備的W/TiC納米粉體，在W和TiC成分上可控，純度大於99%。
【權利要求】
1.一種W包覆TiC納米級複合粉體的製備方法,包括前驅體的製備和還原反應各單元過程，其特徵在於: 所述前驅體的製備是將TiC粉末加入草酸溶液中超聲分散20-30min，使其彌散分布，草酸溶液的濃度為84-134g/L，TiC粉的添加量為0.833g/L ;然後加入仲鎢酸銨，仲鎢酸銨的添加量為56-114.3g/L，於155-185°C恆溫攪拌反應90_240min，乾燥後得到W/TiC前驅體； 所述還原反應是將W/TiC前驅體置於管式燒結爐中，在氫氣氣氛中燒結後得到W包覆TiC複合粉體。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於: 前驅體的製備過程中所述超聲分散的超聲頻率為40KHz，功率為100-400W。
3.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於: 還原反應過程中所述燒結是首先升溫至20(TC保溫30min，然後升溫至50(TC保溫60min，再升溫至800°C保溫60min，降溫至500°C後隨爐自然冷卻。
4.根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於: 燒結過程中的升溫速率為5°C /min,降溫速率為5°C /min。
【文檔編號】B22F1/02GK103567438SQ201310602775
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月22日 優先權日:2013年11月22日
【發明者】羅來馬, 譚曉月, 吳玉程, 陳鴻諭, 昝祥, 朱曉勇 申請人:合肥工業大學