一种溶胶凝胶法制备纳米碳化钒制造技术

一种溶胶凝胶法制备纳米碳化钒粉体的方法，以蔗糖为碳源，偏钒酸铵为钒源，工艺步骤依次为备料、先驱体制备、先驱体干燥、装料、高温热处理、取样。通过不同的热处理工艺制备出高纯纳米碳化钒粉体。用此法制备的碳化钒粉体，平均晶粒度为１４～２０ｎｍ，平均颗粒度为２０～４０ｎｍ。该法工艺简单，成本较低，容易实现规模化制备。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高温结构陶瓷粉体材料制备领域，具体涉及到以一种溶胶凝胶法制备 VC陶瓷纳米粉体的制备方法。
技术介绍
VC是过渡金属碳化物中最重要的功能结构材料之一，具有一系列优异的性能，如 高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱、耐磨损以及良好的导电、导热性等，常用来制备VC基硬质 合金或用VC作增强相的高强度、高导电性的金属基复合材料。广泛应用于金属陶瓷、机械 加工，冶金矿产，航天航空，微电子，催化等领域。目前，制备VC的主要方法有1)单质碳与钒金属在真空条件下直接反应法。该方 法制备碳化钒时，所需温度较高，反应时间过长。2)机械合金法。该法能耗较大，所需反应 时间长，产物粒径较大，且分布不均勻。3)碳热还原反应法。以无机碳粉与偏钒酸铵或五氧 化二钒等钒氧化物为原料，通过碳热还原反应制备碳化钒，该方法采用机械球磨混料，需要 反应温度高，反应时间较长，粉体团聚较严重，粒径分布较难控制，晶格内含氧量较高，难以 获得单相VC材料等。4)气相还原反应法。该方法用甲烷等气态还原剂与钒氧化物反应，制 备碳化钒，操作复杂，难以控制。5)化学气相沉积法等。在众多制备方法中，V2O5碳热还原反应法具有原料丰富，工艺简单，成本较低等优 点而得到了广泛的应用，最新文献也较多地报道了该方法的一些发展或是对该方法的改 进。大量的文献显示，研究人员以碳热还原反应为制备机理，尝试使用新的廉价的碳源，采 用新的混合方式(气态裂解包覆等)制备碳化钒。由于新的碳源的引入，原料之间的混合 方式发生了巨大转变，促使前驱体中钒源与碳源之间的接触面积显著提高，从而大幅降低 碳热还原反应实际进行的温度。例如Zhiwei Zhao, Ying Liu等人(Powder Technology 181(2008)31-35)把偏钒酸铵与纳米碳黑倒入去离子水中混合均勻，干燥制得的复合物为 原料，在真空或氩气的保护下，通过碳热还原反应制备V8C7 ；Zhiwei Zhao, Ying Liu等人 (Journal of Alloys and Compounds468 (2009) 58-63)以偏钒酸铵，C6H12O6 和尿素为原料， 通过去离子水混合均勻，150°C干燥2h制得的复合物为原料，经过热处理制得V8C7，可以把 反应温度降低至1000°C。目前，研究较多的，基于碳热还原反应，制备VC的方法主要有以下两种1.先驱体 法，通过溶液混合方式使碳源与钒源充分混合，加热蒸发溶液，获得固相先驱体；2.气态碳 氢化合物裂解包碳法，通过气态碳氢化合物分子的裂解包碳来提供碳源。以上两种方法都 不同程度的存在缺陷，例如先驱体法，反应物未能实现分子级别混合，产物纯度较低，不易 得到整比产物；气态烷烃裂解包碳法，先驱体不能实现纳米V2O5粒子在单分散状态下包碳， 所制备的VC晶粒偏大、设备要求高、耗能大、产物纯度较低等，因此也就限制了这两种方法 在工业上的应用。本专利技术的目的是为了克服上述先驱体法和气态烷烃裂解包碳法在碳热还原制备 纳米碳化钒时所存在的缺陷，提供一种新的有机碳源和新的混合包覆法制备纳米VC粉体的方法。本专利技术的基本构思是以蔗糖为碳源，偏钒酸铵为钒源，通过溶胶凝胶法从而实现 碳源与钛源的分子级接触，进而大幅度地降低碳热还原反应进行的温度，制得整比的纳米 VC粉体。
技术实现思路
本专利技术提供了一种利用溶胶凝胶法制备先驱体，经后续不同路径的热处理制得纳 米VC粉体的新方法与新的技术路线。具体来讲本专利技术以蔗糖为碳源，偏钒酸铵为钒源，把偏钒酸铵加热至至800°C，保 温约30min，烧成熔体，迅速倒入高速搅拌的蔗糖溶液，加氨水调pH7-8，形成溶胶，搅拌、陈 化，得到凝胶；干燥得到先驱体粉体，此先驱体粉体再经后续热处理实现有机碳的充分的无 机化转变与碳热还原反应，最终制备得到纳米VC粉体。其具体工序步骤如下(1)备料偏钒酸铵与蔗糖的摩尔比4 7，每IOg偏钒酸铵用51. 2g蔗糖，其中， 偏钒酸铵做为钒源，蔗糖做为碳源；(2)先驱体制备由51. 2g蔗糖加入到150 200ml蒸馏水中，并用高速搅拌机搅 拌，配成蔗糖溶液；把IOg固体偏钒酸铵置于刚玉坩埚内，加热至800°C，保温约30min，烧成 熔体，迅速倒入高速搅拌的蔗糖溶液，加氨水调PH7-8，形成溶胶，搅拌、陈化，得到凝胶；(3)先驱体干燥将所制备的凝胶先驱体放入到密闭的管式气氛炉内，然后通入 流动的氩气，时间1 3h，在流动氩气的保护下，升温至80 120°C，保温0. 5 2h;然 后冷却到室温；取出样品，得到蔗糖包覆V2O5先驱体粉体，该先驱体粉体的平均晶粒尺寸 5-10nm,比表面 200 300m2/g。(4)装料将先驱体粉料装入高铝瓷舟内并压紧，放入管式气氛炉内密闭；高温热处理a)在真空条件下，直接加热升温至1000 1200°C，保温1 2h，然 后通入氩气直至冷却到室温；b)在氩气气氛下，先加热升温至500 800°C，保温1 2h， 然后加热升温至1000 1200°C，保温1 2h，然后通入氩气直至冷却到室温；(5)取样先驱体粉体，途经不同的高温热处理工艺后，从反应室的瓷舟内取出产 物，从而得到纳米VC粉体，晶粒度14-20nm,粒径20_40nm。本专利技术的反应过程可归结为蔗糖包覆V2O5核壳粒子的复合先驱体粉体的有机碳 向无机化转变与碳热还原反应。在高温条件下蔗糖发生分解，形成被无定形的无机碳包覆 的五氧化二钒的核壳粉体，然后随着热处理温度的进一步升高壳层的无机碳与核区的五氧 化二钒发生碳热还原反应，从而制得纳米VC粉体。整个反应过程涉及到两种核壳复合粉 体蔗糖包覆的五氧化二钒核壳粉体、无机碳包覆的五氧化二钒核壳复合粉体；被有机碳 包覆的核壳粉体具有较大比表面积且具有多孔结构，活性较高，在热处理过程中不易产生 团聚，这对于无机碳包覆的核壳粉体的粒子生长有显著的抑制粒径作用，因此易于得到纳 米级颗粒的无机碳包覆的五氧化二钒粒子；对被无机碳包覆的纳米五氧化二钒核壳粉体在 后续热处理过程中，由于碳的阻隔作用不易产生团聚，对于最终产物VC粒子的生长有显著 的抑制作用，因此容易制备得到纳米级颗粒的VC粉体。本专利技术所需的先驱体制备装置简单且廉价，主要由两部分组成加热装置、搅拌装4置、干燥装置。三部分之间的作用与相互关系如下1.加热装置，用于实现偏钒酸铵向五氧 化二钒融体的转变；2.搅拌装置，利用于实现碳源和钒源之间的充分混合，并形成溶胶和 凝胶。3.干燥装置，用于实现对凝胶先驱体的干燥。本专利技术所需的先驱体热处理装置简单且易操作，主要由三部分组成炉体、配气系 统、真空系统。三部分之间的作用与相互关系如下1.刚玉管反应室置于管式炉内，用于承 载先驱体的高铝坩埚置于刚玉管反应室的中心；2.真空系统，由减压伐、气路与气体流量 计组成，连接到刚玉管反应室的一端，利用它可以调节反应室中保护气体的种类、流量及配 比；3.真空系统，利用它可以在前驱体热处理前，反复的抽取真空、充满惰性保护气体，排 除刚玉管反应室中的空气以防止高温条件下空气中的氧对反应物的氧化，同时也可调节反 应室的真空度，保证反应室在一定的真空度的条件下进行热处理。本专利技术与现有制备技术及合成路线相比，具有如下的优点和有益效果1.所采用的溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米ＶＣ粉体的制备方法，其特征在于包含以下工序步骤：（１）备料：偏钒酸铵与蔗糖的摩尔比４∶７，每１０ｇ偏钒酸铵用５１．２ｇ蔗糖，其中，偏钒酸铵做为钒源，蔗糖做为碳源；（２）先驱体制备：由５１．２ｇ蔗糖加入到１５０～２００ｍｌ蒸馏水中，并用高速搅拌机搅拌，配成蔗糖溶液；把１０ｇ固体偏钒酸铵置于刚玉坩埚内，加热至８００℃，保温约３０ｍｉｎ，烧成熔体，迅速倒入高速搅拌的蔗糖溶液，加氨水调ｐＨ７－８，形成溶胶，搅拌、陈化，得到凝胶；（３）先驱体干燥：将所制备的凝胶先驱体放入到密闭的管式气氛炉内，然后通入流动的氩气，时间１～３ｈ，在流动氩气的保护下，升温至８０～１２０℃，保温０．５～２ｈ；然后冷却到室温；取出样品，得到蔗糖包覆Ｖ２Ｏ５先驱体粉体；（４）装料：将先驱体粉料装入高铝瓷舟内并压紧，放入管式气氛炉内密闭；高温热处理：ａ）在真空条件下，直接加热升温至１０００～１２００℃，保温１～２ｈ，然后通入氩气直至冷却到室温；ｂ）在氩气气氛下，先加热升温至５００～８００℃，保温１～２ｈ，然后加热升温至１０００～１２００℃，保温１～２ｈ，然后通入氩气直至冷却到室温；（５）取样：先驱体粉体，途经不同的高温热处理工艺后，从反应室的瓷舟内取出产物，从而得到纳米ＶＣ粉体。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚亚东，尹光福，刘飞，张皓，韩雷，黄忠兵，廖晓明，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]