制备纳米氮化钛陶瓷粉体的方法技术

本发明专利技术涉及利用等离子弧气相合成法制备纳米氮化钛陶瓷粉体，本发明专利技术包括以下步骤：提供一个等离子弧发生器，在Ａｒ气环境下起弧后通Ｎ↓［２］气、再通Ｈ↓［２］气成为Ｎ↓［２］、Ｈ↓［２］弧；调整发生器阴阳极间隙使电压达到工作值；气化的ＴｉＣｌ↓［４］和ＮＨ↓［３］气经输料喷管输入反应器内；在１２００℃等离子弧作用下分解并合成为固相纳米氮化钛。本发明专利技术提供的等离子弧气相合成法生产纳米氮化钛陶瓷粉体具有显著的优点，首先形成了能量高度集中的等离子弧，并可使生成的氮化钛晶核能快速冷却，同时输送到粉体捕集塔内，避免在合成器内产生烧结疤块的现象，保证了氮化钛粉体的产率及生产的连续性。

Method for preparing nano titanium nitride ceramic powder

The present invention relates to the use of plasma arc gas phase synthesis of nanometer titanium nitride ceramic powder, the invention comprises the following steps: providing a plasma arc generator in Ar environment after arcing through N: 2, H: gas recanalization 2 gas into N 2, H down here 2 arc; adjust the gap between cathode and anode voltage of the generator to work; gasification TiCl down 4 and NH: 3 the gas feeding nozzle into the reactor; at 1200 DEG C under the action of plasma arc decomposition and incorporated into solid phase nano titanium nitride. The production of nano titanium nitride ceramic powder plasma arc gas phase synthesis method provided by the invention has significant advantages, first of all of the plasma arc energy is highly concentrated, and the formation of the nitrided titanium crystal nuclear fast cooling, and transported to the powder collection tower, avoid in the synthesis in sintering block scar phenomenon. To ensure the continuity of the yield and production of titanium nitride powder.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米材料的制备方法，具体讲是利用等离子弧气相合成法制备纳米氮化钛陶瓷粉体。
技术介绍
纳米氮化钛陶瓷粉体具有粒径小、分布均匀、比表面积大，表面活性高，用于镀膜，可提高硬度、熔点以及化学稳定性等优点，是一种很好的耐熔耐磨材料；与所有金属、半导体、绝缘体具有极好的附着力；由于其低阻特性在微电子
中广泛应用，由于低的扩散势垒广泛用于金属喷涂；同时，在科学研究以及技术应用的有关领域还有很多潜在的应用。目前国内主要采用直接氨气氮化法、自蔓延法、碳热还原法、有机盐裂解法制备氮化钛粉体，但均为超细级，颗粒在0.7～4.5μm之间；采用等离子弧制备纳米级氮化钛陶瓷粉体，目前尚无规模化生产的技术公开。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术课题是提供一种有效降低烧结温度、适于工业化采用的。为实现上述目的，本专利技术提供的，它包括以下步骤1、一种，本专利技术提供的方法包括以下步骤(1)、提供一个等离子弧发生器，发生器在Ar气环境下起弧，此时为Ar弧，起弧后通N2气，压力达0.30～0.35Mpa后，关闭Ar气，从Ar弧转为N2弧，再通H2气，压力达0.38～0.40MPa成为N2、H2弧；(2)、调整发生器阴阳极间隙使电压为270±10伏，旋转控制旋钮使电流240±10安； (3)、起弧后由蒸发器将气化的TiCl4经向下15度的一对输料喷管，输入反应器内；将常温的NH3气经0度的一对输料喷管，输入反应器内；(4)、进入反应器内的TiCl4和NH3在1200℃等离子弧热源作用下迅速分解为Ti、Cl、N、H离子，随之Ti与N合成为固相纳米TiN，Cl与H合成为气态HCl；(5)、合成后的TiN和HCl在引风和载气作用下迅速离开反应腔，经垂降系统、分离系统、水平冷却系统后，进行粉体收集。在上述技术方案中，整套设备和工艺主要是通过本申请人在先前技术基础上实现的，有关技术方案已由三份中国专利申请公开，专利申请号02138263.8、02138262.X、02138264.6。利用本专利技术提供的方法生产出纳米氮化钛陶瓷粉体，每小时产量在5公斤左右。本专利技术提供的等离子弧气相合成法生产出纳米氮化钛陶瓷粉体具有显著的优点，即超高温，大温度梯度，并且创新了三级压缩电弧技术螺旋进气和压缩气流；高压水冷却电弧壁；机械压缩喷咀。其射流可达100米/秒以上，从而获得了能量高度集中的等离子弧，具有大量的活性粒子，促进了反应气体的快速分解，并将其中的粒子以极高的速度向反应腔喷射，产生了白色光致等离子弧，使离化率不断增加。在多元快速合成装置内形成稳定的高浓度的活性离子快速分解和合成，通过氮气载体气流，使生成的氮化钛晶核能快速冷却同时输送到粉体捕集塔内，避免在合成器内产生烧结疤块的现象，保证了氮化钛粉体的生产率及生产的连续性。对反应气体的气化形成与输送进行了改进设计，促使了气相合成在等离子弧区内能稳定的连续的进行，使投入产出比达到4∶1以内， 同时通过可控的冷却速度，保证了TiN的粉体粒度范围窄和较理想的纯度等优越性能。附图概述附图说明图1是本专利技术的工艺流程图。具体实施例方式结合图1，等离子弧气相合成法生产TiN纳米粉体，是以工作气体流经直流电弧产生等离子弧为热源，在还原气氛下，完成下列的反应 所用的反应体系为TiCl4-NH3-H2-N2-Ar采用本专利技术制备纳米氮化钛陶瓷粉体过程中的主要设备，包括电源系统、等离子弧发生装置，反应原料供应系统，多元快速合成器，粉体捕集系统，水平冷却系统，废气净化水解系统，气路系统等八部分构成了一套完整的等离子弧气相合成法纳米粉体制备系统。该生产线的特点是原料和产品在封闭的管路系统内进行分解、合成反应和收集，对环境，操作人员无危害，测温装置等是工艺参数的控制系统，保证了产品质量和生产率的可靠性。以下简要说明具体生产过程首先向等离子弧发生装置内通入等离子体工作气体，然后启动等离子体电源，在等离子体发生装置内产生等离子弧。而旋转进入电弧区的工作气体被加热至约5000℃高温，通过喷口进入“多元快速合成器”中，与此同时经加温气化的TiCl4和NH3由专用输料管道喷射输入合成器中，TiCl4和NH3在1200℃弧温区被分解并发生合成反应，生成固相TiN经过极短的时间(几毫秒)的结晶长大。由可控的均衡氮气流导引并冷却，形成粒度范围窄的超微颗粒。此颗粒被载气气流及管道的引力送到冷环境中后被快速冷却下来，再经捕集塔实现气固分离而得到非晶TiN粉体，通过捕集塔的HCl气体，则在淋洗塔中被水淋洗稀释，含HCl的溶液收集后为副产品稀盐酸出售，还有少量HCl气体经引风排气系统排空。排气系统经环境监测中心监测符合废气排放标准。TiN生产线每小时生产率为5公斤以上，理论转化率为3.07∶1。有本专利技术制备的粉体性状指标是1、粒度我公司生产的纳米TiN粉体为d50＝20nm2、化学成份 ①纯度99.0％②总氧含量0.72％3、物理性能③松装密度0.12g/cm3④比表面积78m2/g4、晶型非晶和结晶型综合以上纳米氮化钛粉体的性状，该产品品质优良，是一种全新型优质陶瓷粉体材料，其性能大大优于超细级氮化钛。以下结合工艺流程图说明有关反应过程及原理发生器在Ar气环境下起弧，此时为Ar弧，起弧后通N2气，压力达0.30～0.35Mpa后，关闭Ar，从Ar弧转为N2弧，再通H2气，压力达0.38～0.42MPa成为N2、H2弧；调整发生器阴阳极和电流控制旋钮使电压为270±10伏，电流240±10安；起弧后由蒸发器将气化的TiCl4经向下1 5度的一对输料喷管，输入反应器内；将NH3气经0度的一对输料喷管，输入反应器内；进入反应器内的TiCl4和NH3在等离子弧热源(1200℃)作用下迅速分解为Ti、Cl、N、H离子，随之Ti与N合成为固相纳米TiN，Cl与H合成为气态HCl；合成后的TiN和HCl在引风和载气作用下迅速离开反应腔，经冷却系统，分离系统，水平冷却系统，收粉系统进行粉体收集，而气态HCl经水解后成稀盐酸进入回收池中。以下是本专利技术工艺中几点应注意的内容电源“电压、电流”，按工艺过程要求，电压为270±10伏，电流240±10安，起弧后N2、H2调整到规定压力后，此时电压并不一定达270±10伏，需调整发生器中的“阴”“阳”极间隙来实现电压达要求值；因为它直接影响反应物与生成物的分解与合成；阴阳极压缩角52度，孔径φ8.8毫米，这两个参数，对电压的调整是很重要的；反应气体流量是根据反应方程式经理论计算得出，在输料时必要按流量要求进行，在执行中通过电子称控制TiCl4流量，通过流量计控制NH3流量；所述的粉体收集是由收粉袋构成的收粉系统完成，收粉袋必须满足收集纳米级TiN和容许气态HCl通过的选择性布袋。它必须做到，纳米级TiN能实现收集，而气态HCl能通过，并进入淋洗系统稀化。四氯化钛(TiCl4)加温210±10度，气压0.35～0.4Mpa，这个数据是保证TiCl4由液态变成气态的必要条件，不能低，当然高一点是可以的，但高了工艺上的密封不好实现；有关工艺具体数据的说明1、输料管氨(NH3)输料喷口为0度，TiCl4输料喷口向下15度，是根据NH3与TiCl4分解不同步的时间差确定的，角度误差范围为±2度，角度是可以适当变化但本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备纳米氮化钛陶瓷粉体的方法，本专利技术提供的方法包括以下步骤：　　　　（１）、提供一个等离子弧发生器，发生器在Ａｒ气环境下起弧，此时为Ａｒ弧，起弧后通Ｎ↓［２］气，压力达０．３０～０．３５Ｍｐａ后，关闭Ａｒ气，从Ａｒ弧转为Ｎ↓［２］弧，再通Ｈ↓［２］气，压力达０．３８～０．４０ＭＰａ成为Ｎ↓［２］、Ｈ↓［２］弧；　　　　（２）、调整发生器阴阳极间隙使电压为２７０±１０伏，旋转控制旋钮使电流为２４０±１０安；　　　　（３）、起弧后由蒸发器将气化的ＴｉＣｌ↓［４］经向下１５度的一对输料喷管，输入反应器内；将常温的ＮＨ↓［３］气经０度的一对输料喷管，输入反应器内；　　　　（４）、进入反应器内的ＴｉＣｌ↓［４］和ＮＨ↓［３］在１２００℃等离子弧热源作用下迅速分解为Ｔｉ、Ｃｌ、Ｎ、Ｈ离子，随之Ｔｉ与Ｎ合成为固相纳米ＴｉＮ，Ｃｌ与Ｈ合成为气态ＨＣｌ；　　　　（５）、合成后的ＴｉＮ和ＨＣｌ在引风和载气作用下迅速离开反应腔，经垂降系统、分离系统、水平冷却系统后，进行粉体收集。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张芬红，
申请(专利权)人：张芬红，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]