碳氮化鈦三元化合物粉體材料的製備方法

2023-10-26 04:30:47 1

專利名稱：碳氮化鈦三元化合物粉體材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種碳氮化鈦(TiCN)三元化合物粉體材料的製備方法，屬於無機非金屬粉體材料製備方法技術領域。
背景技術：
Ti元素的二元碳化物TiC、二元氮化物TiN，具有優良的性能和廣泛的用途。TiC具有高的熔點(3260℃)，極高的硬度，較低的密度(4.93g/cm3)和高的抗熱、抗氧化性；TiN具有硬度高，韌性好，抗磨損，高熔點(2950℃)，高的化學穩定性和熱穩定性，良好的導電導熱性，這兩種材料已經廣泛應用於機械、化工和微電子行業。而Ti-C-N三元化合物則兼具TiC和TiN的優良性能，高溫強度高，耐熱、耐磨，化學穩定性好，同時又是熱和電的良導體，可作為耐磨零件、切削刀具、電極和塗層材料，在機械、電子、化工、汽車製造、航空航天等領域具有廣闊的應用前景。
目前，製備TiCN粉體的方法包括通過聚合鈦氧基含碳硝化甘油在1100℃高溫分解；利用納米TiN和碳黑在1300℃的氬氣流中反應；採用金屬鈉在600℃還原C3N3Cl3和TiCl4的混合物；聯合使用溶膠-凝膠技術和碳熱還原技術(1550℃)；利用活性碳在900～1500℃的氮氣中還原TiO2；利用鈦和碳在氮氣中進行高溫自蔓延反應；長時間在氮氣中球磨TiO2，石墨和鋁粉。顯然，現有製備TiCN粉體的技術是在高溫甚至高壓下進行，製備過程複雜，而且難以獲得純度高的粉體。

發明內容為克服現有技術的不足，本發明提供一種以四氯化鈦(TiCl4)作鈦源、以四氯化碳(CCl4)或碳化鈣(CaC2)作碳源、以疊氮鈉(NaN3)作氮源的碳氮化鈦三元化合物粉體材料的製備方法。
一種碳氮化鈦三元化合物粉體材料的製備方法，以四氯化鈦(TiCl4)作鈦源、以碳化鈣(CaC2)作碳源、以疊氮鈉(NaN3)作氮源，在不鏽鋼反應釜中進行化學交換反應，對反應產物經過清洗、抽濾、烘乾；化學反應式為；製備工藝如下(1)、在無水無氧手套箱中，將碳化鈣(CaC2)、疊氮鈉(NaN3)和四氯化鈦(TiCl4)、裝入高溫高壓不鏽鋼反應釜中並攪拌均勻，封釜後，將反應釜在加熱爐中加熱到400℃-450℃，使三種反應物之間發生化學交換反應，反應時間為2-8小時；
(2)、使反應釜自然冷卻到室溫後，反應產物經無水酒精清洗、抽濾，除去殘餘反應物，直到濾液無色為止；(3)、再用去離子水清洗，以除去反應副產物NaCl、CaCl2；(4)、所得產物在60℃溫度下烘乾3小時後，得到棕紅色碳氮化鈦三元化合物粉末。
可以用四氯化碳(CCl4)代替上述製備方法中的碳化鈣(CaC2)作碳源，反應式為；製備工藝如下(1)在無水無氧手套箱中，將疊氮鈉(NaN3)、四氯化鈦(TiCl4)和四氯化碳(CCl4)、裝入高溫高壓不鏽鋼反應釜中並攪拌均勻，封釜後，將反應釜在加熱爐中加熱到400℃-450℃，使三種反應物之間發生化學交換反應，反應時間為2-8小時；(2)使反應釜自然冷卻到室溫後，反應產物經無水酒精清洗、抽濾，除去殘餘反應物，直到濾液無色為止；(3)再用去離子水清洗，以除去反應副產物NaCl；(4)所得產物在60℃溫度下烘乾3小時後，得到棕紅色碳氮化鈦三元化合物粉末。
本發明製備的碳氮化鈦三元化合物粉體，高溫強度高，耐熱、耐磨，化學穩定性好，產率不低於85％；粉體的尺寸在幾個納米到幾十納米之間。


圖1是通過3ml TiCl4、0.9g CaC2和5.3g NaN3在450℃反應8小時製得的碳氮化鈦的X-射線粉末衍射圖。
圖2是通過3ml TiCl4、0.9g CaC2和5.3g NaN3在450℃反應8小時製得的碳氮化鈦的形態及對應的多晶衍射環。
圖3是通過3.5ml TiCl4，2.3ml CCl4和14g NaN3在420℃反應8小時製得的碳氮化鈦的X-射線粉末衍射圖。
圖4是通過3.5mi TiCl4，2.3ml CCl4和14g NaN3在420℃反應8小時小時製得的碳氮化鈦的形態及對應的多晶衍射環。
具體實施方式
實施例1通過TiCl4、CaC2與NaN3之間的化學交換反應製備TiCN三元化合物超硬超細粉體。在無水無氧手套箱中，用天平稱取0.9g CaC2和5.3g NaN3，混合均勻後，裝入50ml高溫高壓不鏽鋼反應釜中，然後用移液管量取3ml TiCl4，移入反應釜中。封釜後，將反應釜在加熱爐中加熱到400℃，保持8小時後停止加熱。反應產物經無水酒精清洗至濾液無色，再用水清洗至濾液呈中性，然後將產物在60℃烘乾3小時後，得到棕紅色粉末1.96g。
實施例2通過TiCl4、CaC2與NaN3之間的化學交換反應製備TiCN三元化合物超硬超細粉體。在無水無氧手套箱中，用天平稱取0.9g CaC2和5.3g NaN3，混合均勻後，裝入50ml高溫高壓不鏽鋼反應釜中，然後用移液管量取3ml TiCl4，移入反應釜中。封釜後，將反應釜在加熱爐中加熱到420℃，保持5小時後停止加熱。反應產物經無水酒精清洗至濾液無色，再用水清洗至濾液呈中性，然後將產物在60℃烘乾3小時後，得到棕紅色粉末1.96g。
實施例3通過TiCl4、CaC2與NaN3之間的化學交換反應製備TiCN三元化合物超硬超細粉體。在無水無氧手套箱中，用天平稱取0.9g CaC2和5.3g NaN3，混合均勻後，裝入50ml高溫高壓不鏽鋼反應釜中，然後用移液管量取3ml TiCl4，移入反應釜中。封釜後，將反應釜在加熱爐中加熱到450℃，保持2小時後停止加熱。反應產物經無水酒精清洗至濾液無色，再用水清洗至濾液呈中性，然後將產物在60℃烘乾3小時後，得到棕紅色粉末1.96g。
實施例4通過TiCl4、CCl4與NaN3之間的化學交換反應製備TiCN三元化合物超硬超細粉體。在無水無氧手套箱中，用天平稱取14g NaN3，用移液管量取3.5ml TiCl4，2.3mlCCl4，裝入50ml高溫高壓不鏽鋼反應釜中，封釜後，將反應釜在加熱爐中加熱到400℃，保持8時後停止加熱。反應產物經無水酒精清洗至濾液無色，再用水清洗至濾液呈中性，然後將產物在60℃烘乾3小時後，得到棕紅色粉末1.9g。
實施例5通過TiCl4、CCl4與NaN3之間的化學交換反應製備TiCN三元化合物超硬超細粉體。在無水無氧手套箱中，用天平稱取14g NaN3，用移液管量取3.5ml TiCl4，2.3mlCCl4，裝入50ml高溫高壓不鏽鋼反應釜中，封釜後，將反應釜在加熱爐中加熱到420℃，保持5時後停止加熱。反應產物經無水酒精清洗至濾液無色，再用水清洗至濾液呈中性，然後將產物在60℃烘乾3小時後，得到棕紅色粉末1.9g。
實施例6通過TiCl4、CCl4與NaN3之間的化學交換反應製備TiCN三元化合物超硬超細粉體。在無水無氧手套箱中，用天平稱取14g NaN3，用移液管量取3.5ml TiCl4，2.3mlCCl4，裝入50ml高溫高壓不鏽鋼反應釜中，封釜後，將反應釜在加熱爐中加熱到450℃，保持2時後停止加熱。反應產物經無水酒精清洗至濾液無色，再用水清洗至濾液呈中性，然後將產物在60℃烘乾3小時後，得到棕紅色粉末1.9g。
權利要求
1.一種碳氮化鈦三元化合物粉體材料的製備方法，其特徵在於，以四氯化鈦(TiCl4)作鈦源、以碳化鈣(CaC2)作碳源、以疊氮鈉(NaN3)作氮源，在不鏽鋼反應釜中進行化學交換反應，對反應產物經過清洗、抽濾、烘乾；化學反應式為；製備工藝如下(1)、在無水無氧手套箱中，將碳化鈣(CaC2)、疊氮鈉(NaN3)和四氯化鈦(TiCl4)、裝入高溫高壓不鏽鋼反應釜中並攪拌均勻，封釜後，將反應釜在加熱爐中加熱到400℃-450℃，使三種反應物之間發生化學交換反應，反應時間為2-g小時；(2)、使反應釜自然冷卻到室溫後，反應產物經無水酒精清洗、抽濾，除去殘餘反應物，直到濾液無色為止；(3)、再用去離子水清洗，以除去反應副產物NaCl、CaCl2；(4)、所得產物在60℃溫度下烘乾3小時後，得到棕紅色碳氮化鈦三元化合物粉末。
2.如權利要求1所述的碳氮化鈦三元化合物粉體材料的製備方法，其特徵在於，可以用四氯化碳(CCl4)代替上述製備方法中的碳化鈣(CaC2)作碳源，反應式為；製備工藝如下(1)、在無水無氧手套箱中，將疊氮鈉(NaN3)、四氯化鈦(TiCl4)和四氯化碳(CCl4)、裝入高溫高壓不鏽鋼反應釜中並攪拌均勻，封釜後，將反應釜在加熱爐中加熱到400℃-450℃，使三種反應物之間發生化學交換反應，反應時間為2-8小時；(2)、使反應釜自然冷卻到室溫後，反應產物經無水酒精清洗、抽濾，除去殘餘反應物，直到濾液無色為止；(3)、再用去離子水清洗，以除去反應副產物NaCl；(4)、所得產物在60℃溫度下烘乾3小時後，得到棕紅色碳氮化鈦三元化合物粉末。
全文摘要
碳氮化鈦(TiCN)三元化合物超細粉體材料的製備方法，屬於無機非金屬粉體材料製備方法技術領域。通過反應、抽濾、清洗、烘乾等工藝，製備TiCN超細粉體，使用的設備簡單而且安全性好，溫度低，反應物的轉化率高，反應產物處理簡單，製備工藝穩定，生產效率高。產品高溫強度高，耐熱、耐磨，化學穩定性好，產率不低於85％；粉體的尺寸在幾個納米到幾十納米之間。
文檔編號C01B31/30GK1559912SQ20041002370
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月2日 優先權日2004年3月2日
發明者白玉俊, 馮欣, 王成國, 呂波, 王正博 申請人:山東大學