纳米(Ti,M)C固溶体晶须及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米(Ti,M)C固溶体晶须及其制备方法，纳米(Ti,M)C固溶体晶须所含组分为：Ti 40～79.9％、M 0.1～40％，余量为C；所述M为W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一种。制备原料包括(Ti,M)C的组分前驱体、卤化剂和催化剂；将所有原料用蒸馏水配制成前驱体混合溶液，然后干燥得前驱体混合粉末；将前驱体混合粉末置于反应炉中，1100~1300℃下碳热反应，将得到的纳米(Ti,M)C 固溶体晶须在空气中于350‑400℃灼烧4‑6h脱碳，然后洗涤、离心分离，最后干燥即得。本发明专利技术可作为纳米陶瓷相晶须增韧补强金属基、陶瓷基复合材料，与基体之间界面结合好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳化钛晶须材料，具体涉及一种纳米(Ti, M)C固溶体晶须及其制备方法，属于陶瓷相晶须材料

技术介绍
碳化钛（TiC）晶须具有较高的熔点、硬度、模量等优点，主要用于制备晶须增强的金属基、陶瓷基等复合材料，以提高材料的强度、韧性和耐磨性等性能，在汽车、电子、机械、冶金、宇航、新材料等工业领域有着广泛的用途。然而，TiC晶须与基体材料之间的界面结合不佳仍是阻碍其工业应用的技术瓶颈。这种界面结合与TiC晶须在基体材料中的溶解度、润湿性、界面反应性、相间相容性（如热膨胀系数、导热性等匹配性）等密切相关。从材料设计角度出发，可通过元素掺杂来有效调控TiC的溶解度、润湿性等物理化学特性，从而改善TiC晶须与不同复合材料基体之间的界面结合状态。目前，尽管TiC晶须的制备技术相对成熟，但固溶第二类碳化物元素M（如W、Mo、V等）的纳米TiC固溶体晶须的研究尚未见文献报道。目前，可借鉴的TiC固溶第二类碳化物元素的技术方法来自于粉末合成。现有工业制备(Ti, M)C 固溶体粉末的方法一般为将TiC+WC或TiO2+WO3+C或Ti+W+C的球磨混合料，在1600-2000℃反应合成。显然，合成(Ti, M)C晶须，还需添加晶须合成所需的卤化剂和催化剂。但如果沿用现有(Ti, M)C粉末制备方法，1600-2000℃的反应温度远高于卤化剂的熔点温度，势必造成卤化剂剧烈挥发，无法为晶须生长提供条件。这也是目前(Ti, M)C 固溶体晶须合成未获成功的原因所在。因此，要完成(Ti, M)C 固溶体晶须，必须将产物的合成温度降低到1300℃及其以下，即在较低温度下同时完成TiC的碳化反应过程和M在TiC中的固溶反应过程，同时实现(Ti, M)C晶须在卤化剂和催化剂协同作用下的生长。本专利技术利用前驱体法，以TiO2、WO3、C等组元的前驱体为原料，实现各组元元素在分子级别的均匀混合，缩短C原子与氧原子在碳热还原反应时的扩散路径和M元素固溶到TiC晶格中的扩散路径，显著降低反应温度，最终在1100-1300℃温度范围完成(Ti, M)C晶须的制备。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种固溶有第二类碳化物元素的纳米(Ti, M)C固溶体晶须及其在较低固溶温度下的制备方法。该固溶体晶须可作为纳米陶瓷相晶须增韧补强金属基、陶瓷基复合材料，可有效解决现有TiC晶须与基体之间界面结合不佳的技术难题。本专利技术的技术方案是这样实现的：纳米(Ti, M)C固溶体晶须，其特征在于：所含组分及各组分的重量百分数为：Ti 40～79.9％、M 0.1～40％，余量为C；所述M为W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一种；所述纳米(Ti, M)C 固溶体晶须具有单一相成分特征，即(Ti, M)C具有唯一的氯化钠型的面心立方点阵结构，其中Ti、M所代表的元素原子占据钠原子的点阵位置，C元素原子占据氯原子的点阵位置。纳米(Ti, M)C 固溶体晶须制备方法，步骤如下：（1）原料配备纳米(Ti, M)C 固溶体晶须制备的原料包括(Ti, M)C的组分前驱体、晶须合成反应所需的卤化剂和催化剂；其中组分Ti的前驱体原料为偏钛酸；组分C的前驱体原料为葡萄糖；组分M的前驱体原料为W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一种金属元素的可溶盐；组分Ti、C、M的前驱体原料质量按前述Ti、M 和C的重量百分比构成分别进行计算称量；卤化剂质量按偏钛酸质量的25～75%进行称量；催化剂质量按偏钛酸质量的10～55%进行称量；（2）配制混合溶液与干燥将步骤（1）配备的所有原料用蒸馏水溶解配制成前驱体混合溶液，蒸馏水的量以确保所有原料能够充分混合即可；然后将上述前驱体混合溶液置于鼓风干燥箱中，在60-120℃条件下干燥1-5h，得到前驱体混合粉末；（3）碳热还原、固溶将前驱体混合粉末置于反应炉中，在Ar气保护条件下，从室温升温至1100~1300℃并保温1～4h进行碳热反应，得到未提纯的纳米(Ti, M)C 固溶体晶须；（4）将步骤（3）中未提纯的纳米(Ti, M)C 固溶体晶须在空气中于350-400℃灼烧4-6h脱碳，然后通过洗涤、离心来分离去除颗粒状残留物，最后干燥制得晶须直径小于100nm的纳米(Ti, M)C 固溶体晶须。所述卤化剂为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化钡、氯化锂中的一种或者任意两种混合物。所述催化剂为可溶镍盐、可溶钴盐和可溶铁盐中的一种。所述反应炉为可通气体的碳管炉、管式炉、感应炉、真空烧结炉中的一种。相比现有技术，本专利技术具有如下有益效果：（1）本专利技术采用前驱体原料，实现了反应物体系中各元素在分子级别上混合均匀，降低了TiC的反应合成温度和第二类碳化物在TiC晶格中的固溶温度，实现了纳米(Ti, M)C 固溶体晶须的合成。如果按现有技术采用二氧化钛粉末、第二类碳化物元素的氧化物粉末和碳粉作为原料，将难以实现钛元素、第二类碳化物元素和碳元素的均匀混合，从而使得碳热还原反应温度过高，不能满足纳米(Ti, M)C 固溶体晶须的生长温度条件。（2）本专利技术固溶体晶须可作为纳米陶瓷相晶须增韧补强金属基、陶瓷基复合材料，可有效解决现有TiC晶须与基体之间界面结合不佳的技术难题。从技术上讲，可通过有效改变第二类碳化物元素的种类和含量，来有效调控TiC的溶解度、润湿性、热膨胀系数、导热性等物理化学特性，从而改善TiC晶须与基体间的相容性，并实现牢固界面结合。（3）本专利技术以偏钛酸、葡萄糖作为原料，来源丰富、价格低，降低了制备成本。（4）本专利技术所制备的(Ti, M)C固溶体晶须，晶须直径<100 nm，经过提纯处理，杂质含量少。（5）本专利技术所述方法工艺简单，无需对不同组分原料进行机械混合，操作方便，适合工业化生产。附图说明图1为本专利技术的实施例1制备的纳米(Ti, M)C固溶体晶须的XRD图谱。图2为本专利技术的实施例1制备的纳米(Ti, M)C固溶体晶须TEM形貌图。具体实施方式本专利技术纳米(Ti, M)C固溶体晶须，所含组分及各组分的重量百分数为：Ti 40～79.9％；M 0.1～40％；余量为C；所述M为W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一种。具体M为何种元素，这跟该元素具备的特定物理性能及需要添加纳米(Ti, M)C固溶体晶须来增强的基体本身需要相对应。优选地，Ti 52～66％；M 3～25％；余量为C。所述纳米(Ti, M)C 固溶体晶须具有单一相成分特征，即(Ti, M)C具有唯一的氯化钠型的面心立方点阵结构，其中Ti、M所代表的元素原子占据钠原子的点阵位置，C元素原子占据氯原子的点阵位置。本专利技术纳米(Ti, M)C 固溶体晶须制备方法，步骤如下：（1）原料配备纳米(Ti, M)C 固溶体晶须制备的原料包括(Ti, M)C的组分前驱体、晶须合成反应所需的卤化剂和催化剂；其中组分Ti的前驱体原料为偏钛酸；组分C的前驱体原料为葡萄糖；组分M的前驱体原料为W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一种金属元素的可溶盐；所述卤化剂为氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化钡、氯化锂中的一种或者任意两种混合物。所述催化剂为可溶镍盐、可溶钴盐和可溶铁盐中的一种。组分Ti、C、M的前驱体原料质量按权利要求1中Ti、M 和C的重量百分比构成分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
纳米(Ti, M)C固溶体晶须，其特征在于：所含组分及各组分的重量百分数为：Ti 40～79.9％、M 0.1～40％，余量为C；所述M为W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一种；所述纳米(Ti, M)C 固溶体晶须具有单一相成分特征，即(Ti, M)C具有唯一的氯化钠型的面心立方点阵结构，其中Ti、M所代表的元素原子占据钠原子的点阵位置，C元素原子占据氯原子的点阵位置。

【技术特征摘要】
1.纳米(Ti, M)C固溶体晶须，其特征在于：所含组分及各组分的重量百分数为：Ti 40～79.9％、M 0.1～40％，余量为C；所述M为W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一种；所述纳米(Ti, M)C 固溶体晶须具有单一相成分特征，即(Ti, M)C具有唯一的氯化钠型的面心立方点阵结构，其中Ti、M所代表的元素原子占据钠原子的点阵位置，C元素原子占据氯原子的点阵位置。2.纳米(Ti, M)C 固溶体晶须制备方法，步骤如下：（1）原料配备纳米(Ti, M)C 固溶体晶须制备的原料包括(Ti, M)C的组分前驱体、晶须合成反应所需的卤化剂和催化剂；其中组分Ti的前驱体原料为偏钛酸；组分C的前驱体原料为葡萄糖；组分M的前驱体原料为W、Mo、V、Cr、Ta、Nb中的至少一种金属元素的可溶盐；组分Ti、C、M的前驱体原料质量按权利要求1中Ti、M 和C的重量百分比构成分别进行计算称量；卤化剂质量按偏钛酸质量的25～75%进行称量；催化剂质量按偏钛酸质量的10～55%进行称量；（2）配制混合溶液与干燥将步骤（1）配备的所有原料用蒸馏水溶解配制成前驱体...

【专利技术属性】
技术研发人员：金永中，张正权，尹植，王睿贤，张永强，
申请(专利权)人：四川理工学院，
类型：发明
国别省市：四川;51