[发明专利]一种制备TaC纳米粉末材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备金属的纳米粉末材料的技术，特别提供了一种在氩气和C₂H₅OH混合气氛中制备TaC纳米粉末材料的方法。

背景技术

TaC纳米粉末材料在涂层工业中有重要用途。TaC硬度大、熔点为3985℃、高温性能良好。TaC纳米粉末材料，用作喷气发动机涡轮叶片和火箭喷嘴涂层，可显著地提高其使用寿命。在电子发射管生产中，以TaC纳米粉末作中间层复合涂层。用TaC与钨、铝、镍、钴、钒等一系列金属合成的超级合金，是超音速喷气式飞机、火箭和导弹等的良好结构材料。在机械工业中，用TaC纳米粉等硬质合金制造的刀具，能经受近3000℃的高温，其硬度可以与世界上最坚硬的物质——金刚石相媲美。TaC还是第二类超导体材料，可制备非理想的第二类硬超导体。

专利CN2003101103365，纳米相TaC-过渡金属基复合粉末的制备方法，公开了用化学方法制备TaC纳米粉末材料的方法。用C₂H₅OH制备TaC纳米粉末材料的方法未见报导。

发明内容

本发明的目的是提供制备金属的纳米粉末材料技术。

具体地，本发明提供了一种TaC化合物纳米粉末材料的制备方法，其特征在于：所述的TaC化合物纳米粉末材料的制备方法，采用电弧放电产生等离子体的制备技术。

所述的TaC纳米粉末材料的外壳为碳，优选地，碳壳厚度为2-5nm，用纯硝酸加热脱去多余的碳。

制备TaC纳米粉末是在氩气和C₂H₅OH混合气氛中进行的；氩气压强为0.5kPa-0.5MPa；C₂H₅OH所用量与工作腔体积成正比，为0.05-5ml/升。

本发明的金属碳化物纳米粉末材料的制备方法中，所用消耗阳极的成分为Ta，优选地，阳极置于水冷阳极之上；

所用消耗阴极的成分为石墨，阳极与阴极距离为0.1mm-5cm；电弧放电的电流为8-600A，电压为5-50V。

本发明的TaC纳米粉末材料的制备方法中，制备完后，可以用含有0-70％空气的氩气钝化，钝化时间为0-100小时，再进行纳米粉末的收集。

本发明的金属碳化物纳米粉末材料的制备方法中，所述水冷阳极和消耗阳极之间有铜坩锅，铜坩锅底的厚度为3-30mm。

本发明中采用电弧放电产生等离子体的制备技术，具体的原理是：

制备中电弧等离子体主要是电离了Ta，C，Ar，H的气体，它是由电子、离子和中性粒子组成。其中电子和离子的总数基本相等，因而作为整体是电中性的，若等离子体一旦出现电荷分离，立即就会产生巨大的电场。

在电弧放电过程中，电子在电场中获得的能量w＝电量*电压，电子的电荷量为e＝1.6×10^-19库仑，当电压V＝2伏特时，因而可以得到2eV＝2×1.6×10^-19库仑×伏特＝3.2×10^-19焦耳。根据温度的微观定义，E＝W＝3/2kT＝2eV＝3.2×10^-19焦耳，把玻耳兹曼常数代入便可得到电子温度T：

T＝23200K

这仅是考虑单独电子行为。电子能量很大温度很高，但数量很少。当等离子态变为正常态时，温度骤降，这为熔点高达3985℃而且性质稳定的TaC的形成提供了条件。

德拜(Debye)长度λ₀描述粒子无规则运动所引起的电荷分离尺度，它与电子温度T的平方根成正比，而与电子数密度n_e的平方根成反比。

λ₀＝(ε₀kT/e²n_e)^1/2

ε₀是介电常数，k是玻尔兹曼常数。德拜长度定量的描述了等离子体由于某种原因引起的局部电荷分离，使电中性受到破坏的程度。也可以把λ₀看作电离气体是否是等离子体的一个衡量尺度.

温度是10⁴K，在电弧放电产生的等离子体中德拜长度约为700纳米，密度是10¹⁴cm^-3，当温度为5×10³K约为500纳米.电中性受到破坏德拜长度约是在数百纳米，温度骤降到熔点以下。金属化合物蒸气易于形核长大，因密度低，形成纳米的TaC的颗粒。TaC的颗粒进一步形成集聚体。