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一文了解TiC粉体制备方法及应用
2017月11月14日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:1114
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碳化钛是一种重要的陶瓷材料,具有高熔点、超硬、化学稳定性、高耐磨性、热传导性能好等优良性能,在机械加工、航空领域、涂层材料等领域具有广阔的应用前景,广泛用作切削工具、抛光膏、磨具、抗疲劳材料及复合材料的增强体等。特别是纳米级的TiC在磨料、磨具、硬质合金、高温耐腐和耐磨涂层有大量的市场需求,更是一类附加值高的技术产品。

 

目前探索一种高效节能方法制备纯度高、粒度分布均匀、颗粒团聚小、接近化学计量的TiC粉体成为国内外企业和科研机构关注的焦点。

 

一、TiC的结构与性能

TiC具有NaCl型立方晶系结构,晶胞参数是0.4327nm,在晶格位置上碳原子与钛原子等价。

 

TiC立方晶体结构

 

TiC化学结构中,以共价键为主,共价键程度与化学计量成正比。TiC的结构特点决定了它的基本特性(见下表),因此在复合材料、陶瓷材料、功能材料等方面具有广泛应用。

 

 

二、TiC粉体制备方法

目前国内外制备TiC粉末的方法主要有碳热还原TiO2法、直接反应法、溶胶凝胶法等。每种方法合成的TiC粉体其粒子大小、粒度、分布、形态、团聚状况、纯度及化学计量各有不同。

 

1、碳热还原TiO2

碳热还原法是合成TiC最常用的方法。该方法以TiO2为钛源,在高温、真空的条件下,利用单质C对TiO2进行还原,合成碳化钛,反应式如下:

 

TiO2s)+ 3C(s)TiC + 2CO2g)

 

碳热还原TiO2法制备TiC的SEM图片

 

碳热还原TiO2法优点是:具有工艺简单,反应物料廉价等优点,大大降低生产成本,适合向工业化方向发展,制备出的TiC粉粒度一般在微米数量级,应用比较广泛。

 

缺点是:反应温度高、时间长,能耗较大,降低反应温度、反应时间,节省能耗是急需研究的重点,对工业化生产具有重要意义。

 

2、直接反应法

直接反应法是以钛和碳为原料直接反应生成TiC的方法,直接反应法是一种放热反应,所以不需在高温下即可完成。目前主要自蔓延合成法,化学反应式为:

 

Ti(s)+ C(s)TiC(s)

 

自蔓延合成法制备TiC的SEM图片

 

自蔓延法优点是:反应时间短,效率高。缺点是:反应温度相应难以控制,存在产物高温烧结现象。

 

3、溶胶凝胶法

溶胶凝胶法是借助溶液使物料充分混合、分散而制备出小颗粒尺寸产物的方法。主要工艺过程是采用不同的有机-无机溶胶前驱体制备TiC粉体,制备出来的前驱体被放到氧化铝管式炉内加热,在1600℃时得到的TiC粉体,粒度小于1μm。

 

溶胶凝胶法优点是:制备的TiC粉体具有化学均匀性好、粉体粒度小且分布窄、热处理温度较低等优点。

 

缺点是:合成工艺复杂、干燥收缩较大,目前工业化生产上有一定难度。

 

4、其他方法

1)化学气相沉积

化学气相沉积法是利用TiCl4H2C之间的反应,反应物与灼热的钨或炭单丝接触而进行反应,TiC晶体直接生长在单丝上。反应式如下:

 

TiCl4g)+ 2H2g)+ C(s)TiC(s)+ 4HCl(l)

 

化学气相沉积法优点是:能够制备纯度高、粒径小的纳米TiC粉体。

缺点是:气相反应器结构比较复杂,生产成本较高,目前尚无法用于大规模生产,有待进一步研究。

 

2)热等离子方法

热等离子体法以Ti粉与CH4作为起始原料合成了TiC纳米粉。总的合成反应式:

 

Ti(s)+ CH4g)TiC(s)+ 2H2g)

 

等离子体反应系统主要由三部分组成:反应室、冷却箱和收集室。 CH4与Ti的摩尔比为1∶1,固定摩尔比的氩气和甲烷混合气作为载流气,载着钛粉进入反应室,氩气作为保护气体。通常完成一次实验的时间为45 min,合成TiC粉的平均尺寸小于100 nm。 热等离子体法合成TiC纳米粉的关键是通过热等离子体使原料Ti颗粒完全气化。

 

等离子体法优点是:制备的纳TiC粉体纯度高、粒径小、分散度高,且能够连续生产,有望在工业生产中得到应用。

 

3)微波法

微波法是一种合成TiC粉体的新方法,它是利用微波源代替传统的热源,具有物料反应温度低和时间短等新特性。

 

微波法合成TiC粉体工艺流程图

 

微波法具有反应温度低、洁净安全、合成时间短、粒度小等特点,具有广阔的应用前景。

 

三、TiC粉体的应用

1、增强颗粒

TiC具有硬度高、抗弯强度高、熔点高、热稳定性好等优点,可作为金属基复合材料的增强颗粒。

 

(1)TiC 作为铝合金、钛合金及镁合金的增强颗粒,可以提高合金的热处理能力、加工能力及耐热能力。例如,Al2O3-TiC 系统复相刀具,由于加入了增强颗粒TiC,不仅刀具的硬度得到提高,而且其切削性能也有了很大的提升。

 

Al2O3-TiC 系统复相刀具

 

(2)TiC 作为陶瓷基(氧化物陶瓷, 硼化物陶瓷,碳、氮化物陶瓷及玻璃陶瓷等)的增强颗粒,可以明显地提高陶瓷材料的韧性,扩大陶瓷材料的应用范围。例如,以 TiC基陶瓷材料作为刀具的原料,不仅可以大大提高刀具的综合性能,而且其耐磨性能也远远优于普通硬质合金刀具。

 

TiC基陶瓷材料

 

2、航天航空材料

在航天领域中,许多设备的零部件如燃气舵、发动机喷管内衬、涡轮转子、叶片以及核反应堆中的结构件等都要在高温下工作,TiC的添加对钨基体有高温增强效果,它能够显著增强钨在高温条件下的强度。TiC颗粒在高温下对塑性钨基体的增强作用愈加显著,最终使复合材料具有更好的高温强度。

 

 

3、泡沫陶瓷

泡沫陶瓷作为过滤器对各种流体中的夹杂物均能有效地除去,其过滤机理是搅动和吸附。为适应金属熔体的过滤,主要追求抗热震性能的提高。TiC泡沫陶瓷比氧化物泡沫陶瓷有更高的强度、硬度、导热、导电性以及耐热和耐腐蚀性。

 

添加TiC泡沫陶瓷

 

4、涂层材料

TiC涂层不仅硬度高、耐磨性好、摩擦因数低,还具有较高的硬性、化学稳定性和良好的导热性与热稳定性、因而广泛应用于刀具、模具、超硬工具和耐磨耐蚀零件中。

 

TiC涂层刀具

 

作者:李波涛

 

参考文献:

1、赵喆,龚江宏,苗等,TiC颗粒弥散Al2O3复合材料的阻

力曲线行为,硅酸盐学报。

2、胡晓力,刘阳,尹虹等,微波合成碳化钛的研究,中国陶瓷工业。

3、高纪明,陈松年,肖汉宁等,氧化铝/碳化钛复合材料的无压烧结,湖南大学学报


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