机械激活工艺对tio_2碳热还原合成纳米tic的影响

《机械激活工艺对tio_2碳热还原合成纳米tic的影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械激活工艺对tio_2碳热还原合成纳米tic的影响（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、Material nanO-TiC; TiO2 carbOthermal reductiOn (CR); activatiOn factOrS; XRD固反应速率和反应产物粒度都有较大影响 ， 因而 前 期 利 用 纳 米 TiO2 为 原 料 通 过 碳 热 还 原 法 制 备收稿日期:2009-02-12基金项目:中 国 博 士 后 科 学 基 金 资 助 项 目(20070420137)作者简介:向 道 平(1976-),男,四 川 通 江 人,博士后,主要从事纳米粉末的合成和多场耦合作用下的粉末成形与烧 结 技 术 研 究;电 话:020-87112948-306;E-mail:dpx

2、iangyahOO.cO热加工工艺 2009 年第 38 卷第 14 期复合材料机械激活工艺对 TiO2 碳热还原合成 纳米 TiC 的影响向道平, 李元元(华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510640)采 用 纳 米 TiO2(锐 钛 型)和 碳 黑 (无 定 型 )粉 末 为 原 料 ， 按 C/Ti 摩 尔 比 3 1 配 料 。 首 先 在QM-2SP20 型 行 星 球 磨 机 上 对 混 合 原 料 粉 末 进 行一 定 程 度 的 机 械 激 活 ，接 下 来 在 KL-2300 型 高 温碳管炉内进行活化粉末的碳热还原反应 ， 其 中反应温度 为 1300，真空

3、保 温时间为 2h。利用 D/MAX-3A 型 X 衍射仪对机械活化粉末55CPSCPS材料热处理技术 Material & Heat Treatment2009 年 7 月及反应产物粉末进行物相分析 ，其中 管电压 40kV，管 电 流 30 mA， CuK， = 0.15406 nm， 扫 描 速 度8/min，步 长 0.02。 利 用 XL-30FEG 型 扫 描 电 镜观 察 活 化 粉 末 碳 热 还 原 反 应 后 产物组织形貌 。2结果及讨论2.1 机械激活工艺对 TiO2 碳热还原反应的影响2.1.1激活时间图 1 是 仅 有 激 活 时 间 变 化 时 纳 米 TiO2/

4、碳 黑 活化料在相同碳热还原反应条件下所得产物的XRD 图。 分析图 1 可知，原料经 过 216h 的机械球磨 激 活 后 ，纳 米 TiO2 碳 热 还 原 反 应 所 得 到 的 主要产 物均为 TiC 相 ， 同 时 ，XRD 图 中 都 有 微 弱 的C 的特征衍射峰 ， 这表明活化 料的碳热还 原反应进 行得都不完 全 。 然而，TiC 的衍 射峰强度随 激活时间的延长 其强度增加 ，这表明激活 时间越长 ，后续 TiO2 碳热还原 反应进行得 更充分 。 这是 由于在高能球磨机上进行机械激活时 ， 随着球磨时间的延长，磨球通 过碰撞 、挤 压传递给粉 末的机械能 不断增加，部分

5、机械能也转 化为粉末的 系统能量 ；同时，球磨也会 带来晶粒缺 陷密度的增 加 ，这为后续碳 热 还 原 反 应 过 程 中 原 子 的 扩 散 提 供 了 通 道 ，最终使得粉末组元之间的反应能力得到大大提高 。不 过 ，从 图 1 也 可 见 ，随 着 机 械 激 活 时 间 的 延 长 ，(Fe，C)的 衍 射 峰 从 无 到 有 ，特 别 是 大 于 8 h 后 ， 衍 射 峰 强 度 逐 渐 上 升 ，在 16h 活 化 料 碳 热 还 原 产 物中其峰强最高 ， 这说明延长激活时间也会同时带来磨球、球磨 罐磨损量的 加大 ，从而 带给粉末体 系更多的污染 。 因而，适当的 控制激活

6、时 间的长短 ，使原料粉末能够达到较好的激活效果 ， 也能使粉 末污染控制 在可接受 的范围 。基于 此，在本实验 中48h 应是一个 比较适当的 机械激活时 间 。2.1.2球料比在机械激活过程中 ， 磨球与原料粉末的质量 比， 即球料比的大小是影响机械激活效果的重要因 素 之 一 。 图 2 是 仅 有 球 料 比 变 化 时 纳 米 TiO2/碳黑活化料在相同碳热还原反应条件下所得产物 的 XRD 图 。 可 知 ，在 三 种 球 料 比 下 ，原 料 经 机 械激活后， 再经过碳热还原处理所得到的主要产物均为 TiC。 由 于所有产物 XRD 图中都存在 较弱的在机械激活过程中 ， 球

7、磨机转速也是一个相 当重要的影响因素 。 图 3 是仅有球磨机转速变化时 ， 活 化 纳 米 TiO2/ 碳 黑 混 合 粉 末 碳 热 还 原 反 应产物的 XRD 图。 由图 3 可知 ，在实验两 种球磨机转速条件下 ，原料经机械 激活后 ，再经 过碳热还原反应处理后 的主要产物 均为 TiC。 同时，由 于产物 中有残留的碳黑 ， 所以碳热还原反应都进行得不彻底。 不过，由 于图 3 中 120r/min 时 产 物 中 C 衍 射 峰 更 强 ， 因 而 250r/min 时 纳 米 TiO2 碳 热 还 原HOt WOrking TechnOlOgy 2009, VOl.38,NO.

8、1420304050 60 70TiC C (Fe，C)16h8h4h2h 8020110151C 衍射峰，因而 碳热还原反 应进行得都 不完全 。 相 比 之 下 ， 最 小 51 球 料 比 时 活 化 料 碳 热 还 原 反 应产 物 中 还 有 中 间 钛 氧 化 物 Ti2O3 和 Ti3O5 存 在 ，因而 反 应 进 行 最 不 彻 底 ；最 大 201 球 料 比 时 活 化 料碳 热 还 原 反 应 产 物 中 TiC 的 衍 射 峰 强 度 最 高 ，相对而言反应进行得更充分 。 这是由于球料比从小增大后， 混合料与磨球的碰撞几率和磨削面积增大，机械激活 的效率明 显提高

9、。 然而 ，球料比过大时，由于磨球 之间碰撞增 多 ，激活过程 的机械能被过多消耗 ，导 致激活效率 逐渐降低 ，使 得球磨激活的影响减慢 。同时，球料比 较大也会导 致原料更多的 污 染 ，当 最 高 球 料 比 201 时 ，产 物 XRD 图 中 有比较 明 显 的(Fe，C)相 的 衍 射 峰 (图 2)。 因 而 ，为 较好 的 激 活 原 料 和 减 轻 污 染 ，101 是 本 实 验 中 较 合适的球料比 。TiC Ti2O3 Ti3O5 C (Fe，C)304050 60 70 8020 2/() 图 2 球料比与碳热还原反应产物的关系 Fig.2 Ball-tO-pOwde

10、r weight ratiO VS CR reactiOn prOductS2.1.3 球磨机转速2/() 图 1 激活时间与碳热还原反应产物的关系 Fig.1 Mechanical activatiOn time VS CR reactiOn prOductS56CPSCPSMaterial & Heat Treatment 材料热处理技术系反 应驱动力的 提高也就不 太明显 。一 般说来 ，在 设备允许的 范围内 ，为提 高球磨效率 ，尽可能选择较大的球磨 机转速 。 然而 ，球磨机转速 太快 ，消耗 的 能 量 也 更 大 ，可 能 导 致 球 磨 机 的 损 坏 ，同 时 ，球磨 罐内

11、磨球碰 撞的频率 很高，磨球之间的机械力太大，还会引起磨球的磨 损 量 增 大 ，从而会带给纳米TiO2/ 碳黑粉末体系更多的污染。 因而，选择合适的球磨机转速对机械激活效果的影响是很大的 。对于本实验 ，250r/min 时机械激活 效果更好 ，产物粉末污染也比较小 ， 因而是更合适的球磨机转速选择 。2.2 纳米 TiC 产物的显微组织基于前述激 活时间 、球料 比、球磨机转 速等机械 激 活 工 艺 对 纳 米 TiO2 碳 热 还 原 合 成 TiC 产 物的影响， 综合考虑机械活化效果与球磨过程中产3结论(1)在 原 料 机 械 激 活 过 程 中 ， 延 长 激 活 时 间 、 增

12、大球料比 、 提高球磨机转速都有利于增强激活效果，因 而 后 续 纳 米 TiO2 碳 热 还 原 反 应 进 行 得 更完全。(2) 在 本 研 究 条 件 下 ，球 磨 时 间 48 h， 球 料比 101， 转 速 250 r/min 是 较 合 适 的 机 械 激 活 工艺。 之 后在 1300碳热 还原反应 2 h 可 合成球形颗粒的纳米 TiC 粉末。参考文献:1 RuSSiaS J，Cardinal S，Aguni Y，et alInfluence Of titaniumnitride additiOn On the micrOStructure and mechanicalpr

13、OpertieS Of TiC-baSed cermetS JRM & HM，2005，23(4-6)：358-36223Han C L， KOng M GFabricatiOn and prOpertieS Of TiC-baSed cermet with intra/ intergranular micrOStructureJMaterialS & DeSign，2009，30(4)：1205-1208MariOn L F， Alexandre A， Stphane U， et alMicrOStructure and thermal cOnductivity Of MO-TiC cerm

14、etSprOceSSed by hOt iSOStatic preSSing JJOurnal Of NuclearMaterialS，2008，380(1-3)：85-92Zheng4Y，Wang SX，YOu M，et alFabricatiOn OfnanOcOmpOSite Ti (C，N)-baSed cermet by Spark plaSma Sintering JMaterialS ChemiStry and PhySicS，2005，92(1)：64-705Liu N，ChaO S，Huang XEffectS Of TiC/TiN additiOn On the micrO

15、Structure and mechanical prOpertieS Of ultra-fine gradeTi (C，N)-Ni cermetS JJOurnal Of the EurOpean Ceramic SOciety，2006，26(16)：3861-38706ZhOu S Q，ZhaO W，XiOng W H2080生 的 污 染 ，这 里 选 取 球 料 比 101，转 速 250 r/min， 激活时间 8h 来制备活化原料粉末 。 活化粉末在1300碳热还原处 理 2h，并经酸 洗除杂后得 到的TiC 产物的 XRD 图与 SEM 图，见图 4、图 5 所 示。TiC30

16、 40 50 60 70 2/() 图 4 TiC 产 物 的 XRD 图 Fig.4 XRD pattern Of TiC prOduct热加工工艺 2009 年第 38 卷第 14 期图 5 纳 米 TiC 产 物 的 SEM 图 Fig.5 SEM micrOgraph Of nanO TiC prOduct在 图 4 中 ， 只 有 TiC 的 特 征 衍 射 峰 出 现 ，因 而 通过机械激 活碳热还 原法合成 并经酸洗提 纯后的产物是 单相 TiC。 从图 5 可 见，产物纳米 TiC为球形颗粒 ，粒度尺寸很 小 ，分布范围 较窄 。2m图 3 球磨机转速与碳热还原反应产物的关系 Fig.3 Milling Speed verSuS CR reactiOn prOductS反应进行得 更充分 。这是 由于球磨机 转速太慢时 ，磨球碰撞的 频率太低 ，激 活的效率也 就较