一种等离子体室温诱导自蔓延反应制备纳米碳化钛粉末的方法技术

本发明专利技术属于碳化钛的技术领域，公开了一种等离子体室温诱导自蔓延反应制备纳米碳化钛粉末的方法。所述方法：将钛粉与碳粉混合均匀，采用等离子体球磨装置在惰性气氛下进行室温等离子体球磨，获得纳米碳化钛粉末；所述惰性气氛的压力为0.05～0.2MPa；所述等离子体球磨的参数为放电电流1～2.5A，球磨的时间为0.2～10h。本发明专利技术使用等离子体在室温诱导自蔓延反应合成纳米碳化钛粉末，具有工艺简单、生产成本低、污染小、反应过程可控可调和产品纯度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体室温诱导自蔓延反应制备纳米碳化钛粉末的方法
本专利技术属于碳化钛的
，涉及一种纳米碳化钛的制备方法，特别涉及一种等离子体室温诱导自蔓延反应制备纳米碳化钛粉末的方法。
技术介绍
碳化钛是典型的过渡族金属碳化物，分子式TiC，为NaCl型面心立方晶体结构。其化学键是以离子键、共价键和金属键构成的的混合键型，具有高硬度(32GPa)、低密度(4.93g/cm3)、高熔点(3067℃)、高弹性模量(410GPa)、耐磨损、耐腐蚀等诸多优点，在工业上，如硬质合金领域、航空航天领域和电化学反应中，有着极广泛的应用。TiC的制备方法主要有TiO2碳热还原法，直接反应法，溶胶凝胶法、气相法、微波法。目前工业生产中最主要的方法为TiO2碳热还原法，但此方法需要很高的反应温度和很长的反应时间，因此容易出现出现大块团聚、颗粒性状不均匀、反应不完全等现象，影响产品的质量。直接反应法是以金属钛和碳为原料直接发生反应生成碳化钛的方法，主要有高温自蔓延燃烧合成法(SHS)和机械激活自蔓延反应法(MSR)。SHS法制备TiC粉，反应在极短时间完成，但该方法反应温度高，会导致产物高温烧结现象，且产物粒度较大，往往需要进一步的破碎和细化，才能满足商品的的粒度要求。采用MSR法可避免自蔓延反应过快、热量过于集中的问题，并且可以制备出粒度更小、更均匀的的碳化钛粉末。但传统的机械球磨法，机械能输入低，球磨诱导自蔓延反应发生往往需要几十甚至上百个小时，效率极低，长时间的机械球磨导致污染也极其严重。单纯地提高机械能的输入，虽然可以提高球磨的效率，但因为球与球、球与球磨罐内壁之间碰撞加剧，球磨污染严重，同时，高机械能输入的球磨设备往往面临一次性装粉量少的问题，并不能满足工业生产的需求。公开号为CN101704682A的专利申请文件公开了一种利用自蔓延高温合成制备碳化钛陶瓷微粉的方法。该方法是先将Ti粉和C粉均匀混合，再经过高能球磨3～10h，然后将球磨后的粉末冷压成型，再在真空室内用电弧点燃压坯获得燃烧产物，最后，破碎燃烧产物，得到TiC微粉。该工艺得到的TiC产品质量高，但是该方法的工艺复杂，得到的TiC仍需进一步的破碎处理，增加生产成本。公开号为CN101704673A的专利申请文件公开了一种室温下合成制备纳米晶碳化钛陶瓷微粉的方法。该方法是将Ti粉和C粉按1：1(mole)的比例均匀混合然后在室温下以1000～2000转/分的转速进行高能球磨0.5～10小时，最终获得纳米晶陶瓷微粉。该工艺在室温下通过球磨合成碳化钛，但因为只依靠单纯的机械能输入，所以需要≥1000转/分的高能量输入，无法避免高能球磨带来的严重污染问题。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种等离子体室温诱导自蔓延反应制备纳米碳化钛粉末的方法，其特点是操作简单，成本低，合成的碳化钛粉末粒径细小，球磨污染极小，反应过程可控可调，产品纯度高。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种等离子体室温诱导自蔓延反应制备纳米碳化钛粉末的方法，包括以下步骤：将钛粉与碳粉混合均匀，采用等离子体球磨装置在惰性气氛下进行室温等离子体球磨，获得纳米碳化钛粉末；所述惰性气氛的压力为0.05～0.2MPa；所述等离子体球磨的参数为放电电流1～2.5A，球磨的时间为0.2～10h。本专利技术在采用等离子体球磨装置在惰性气氛下进行室温等离子体球磨时，钛粉与碳粉发生等离子体室温诱导自蔓延反应，获得纳米碳化钛。等离子体球磨时球磨的转速为600～1200rpm。球料比为20:1～50:1。所述钛粉与碳粉的摩尔比为(0.8～1.2)：1，优选为1:1。所述惰性气氛为氩气；所述碳粉是石墨粉、活性炭粉或碳黑；球磨介质为碳化钨(WC)硬质合金球。所述纳米碳化钛的平均晶粒尺寸为10～100nm所述等离子体球磨是指介质阻挡放电等离子体辅助球磨，特别是介质阻挡放电等离子体与振动球磨耦合进行等离子体球磨。等离子球磨是在振动球磨的过程中引入等离子体，实现了机械能和等离子体能在球磨过程中的协同作用，可以加速粉体细化，降低粉末的激活能，促进合金化、固态反应和固气反应过程。同时，在等离子球磨室温诱导自蔓延反应制备纳米碳化钛粉末的过程中，振动球磨的机械能输入很低，其作用主要是剥离钛粉表面氧化层和混粉，而不是作为单一的能量输入诱导自蔓延反应，所以球磨过程中的污染很小。并且，引入的冷场等离子体中的高温电子具有瞬时局域高温的特点，可以“点燃”被活化的粉末诱导自蔓延反应发生，显著地缩短了诱导自蔓延反应发生的时间。最终，整个过程便可以在很低的球磨能量下，依靠等离子体的特殊优势，诱导自蔓延反应的发生，实现了机械能和等离子体能完美的耦合效果。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：(1)本专利技术在制备碳化钛粉末时采用等离子球磨机剥离原始钛粉表面的氧化层并将粉末混合均匀，但因为振动球磨的能量很低，整个过程的污染极小。(2)球磨过程中引入的冷场等离子体的电子温度极高，可以对粉体的微区瞬时加热，从而“点燃”自蔓延反应，显著地提高反应的效率。附图说明图1为实施例1得到的纳米碳化钛粉末的X射线衍射(XRD)图；图2为实施例1得到的纳米碳化钛粉末的扫描电子显微镜(SEM)图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1室温下，在0.1MPa氩气气氛的手套箱中，取钛粉和石墨粉(摩尔比为1：1)混合，装入球磨罐密封后置于等离子球磨机上，氩气氛围中进行等离子球磨(球磨的转速为960rpm，球料比为50:1)，放电电流1.5A，球磨时间4h(不包括停顿的时间)；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟(是指球磨30min，然后停止球磨30min，再球磨30min，如此重复)，获得纳米碳化钛粉末。图1为本实施例制备的碳化钛粉末的XRD图。图2为本实施例制备的碳化钛粉末的SEM图。本实施例最后所得产物中碳化钛纯度为98.95％，平均晶粒尺寸为80nm，平均粒径为5μm，球磨介质污染WC含量为0.01wt.％。实施例2室温下，在0.1MPa氩气气氛的手套箱中，取钛粉和石墨粉(摩尔比为1：1)混合，装入球磨罐密封后置于等离子球磨机上，氩气氛围中进行等离子球磨(球磨的转速为960rpm，球料比为50:1)，放电电流1.5A，球磨时间8h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟，获得纳米碳化钛粉末。本实施例最后所得产物中碳化钛纯度为99.25％，平均晶粒尺寸为40nm，平均粒径为3μm，球磨介质污染WC含量为0.02wt.％。实施例3室温下，在0.1MPa氩气气氛的手套箱中，取钛粉和石墨粉(摩尔比为1：1)混合，装入球磨罐密封后置于等离子球磨机上，氩气氛围中进行等离子球磨(球磨的转速为960rpm，球料比为50:1)，放电电流1.5A，球磨时间10h；运行模式为交替重启，交替时间为30分钟，停顿时间为30分钟(是指球磨30min，然后停止球磨30min，再球磨30min，如此重复)，获得纳米碳化钛粉末。本实施例最后所得产物中碳化钛纯度为99.45％，平均晶粒尺寸为15nm，平均粒径为2μm，球磨介质污染WC含量为0.03wt.％。实施例4室温下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等离子体室温诱导自蔓延反应制备纳米碳化钛粉末的方法，其特征在于：包括以下步骤：将钛粉与碳粉混合均匀，采用等离子体球磨装置在惰性气氛下进行室温等离子体球磨，获得纳米碳化钛粉末；所述惰性气氛的压力为0.05～0.2MPa；所述等离子体球磨的参数为放电电流1～2.5A，球磨的时间为0.2～10h。

【技术特征摘要】
1.一种等离子体室温诱导自蔓延反应制备纳米碳化钛粉末的方法，其特征在于：包括以下步骤：将钛粉与碳粉混合均匀，采用等离子体球磨装置在惰性气氛下进行室温等离子体球磨，获得纳米碳化钛粉末；所述惰性气氛的压力为0.05～0.2MPa；所述等离子体球磨的参数为放电电流1～2.5A，球磨的时间为0.2～10h。2.根据权利要求1所述等离子体室温诱导自蔓延反应制备纳米碳化钛粉末的方法，其特征在于：所述等离子体球磨是指介质阻挡放电等离子体辅助球...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳柳章，陈祖健，朱敏，鲍贤勇，张峰，靳磊，鲁忠臣，曾美琴，
申请(专利权)人：华南理工大学，飞亚达集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44