[发明专利]表面修饰高能球磨法分散纳米TiC粉体

说明书

技术领域

本发明为一种纳米粉末的分散方法，特别涉及纳米TiC粉末的分散方法，属于粉末冶金和金属陶瓷领域。

背景技术

TiC属面心立方点阵的NaCl型晶体结构，熔点高、导热性能好、硬度大、化学稳定好、高温抗氧化性好，是Ti(C，N)金属陶瓷刀具材料的主要硬质相之一。Ti(C，N)基金属陶瓷具有好的红硬性、低腐蚀性、导热率和摩擦系数、较好的抗粘刀能力，可用于制成微型可转位刀片，用于精镗孔、精孔加工和以车代磨等精加工领域；其功能填补了传统WC-Co系硬质合金与Al₂O₃陶瓷刀具之间的空白。尽管在欧美等国已得到了越来越广泛的应用，但强度和韧性不足是金属陶瓷一直存在的主要问题。根据Hall-Petch公式，陶瓷材料的晶粒度越小，粘结相的平均自由程越短，则陶瓷的强度和硬度越高，若晶粒度达到纳米尺度后，其硬度和强度将有大的突破。90年代后期，科学家们提出了在常规材料中添加纳米颗粒以改善材料性能的想法。Niihara报道在Al₂O₃基体中加入纳米颗粒使材料的力学性能显著提高；对传统WC基硬质合金的研究也表明，当WC的晶粒细到0.5μm(超细)以下时，可获得强度、硬度和韧性“三高”的合金。因此国内外的学者对部分添加纳米改性金属陶瓷进行了许多研究。很多人研究了添加纳米TiC到金属陶瓷中来改善，如徐智谋等在《功能材料》杂志2003年第6期上报道的“纳米TiC增强Ti(C、N)基金属陶瓷材料的组织与性能研究”，结果表明5％-10％(质量分数)的纳米TiC粉末加入量可使金属陶瓷的抗弯强度得到较大的提高。

但是，纳米TiC粉末颗粒粒径小，比表面积大，界面原子数多，表面具有较高的化学活性。一方面，纳米TiC粉末容易吸收氧，而导致粉末活性降低，添加到金属陶瓷基体中会导致制备过程中压制品容易开裂，烧结品容易产生孔隙等缺陷。另一方面，由于颗粒间普遍存在的范德瓦尔斯力和库仑力，纳米颗粒极易团聚而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体，在烧结的致密化过程中，团聚体会导致纳米颗粒长大而超过纳米尺度，从而失去纳米弥散相的独特作用；同时团聚体之间的空隙在烧结过程中难以消除，在烧结体中形成裂纹状缺陷。因此，克服纳米颗粒的团聚，使其充分分散，以获得与基质颗粒均匀混合是获得高性能金属陶瓷的前提条件。

目前用于分散粉末的有球磨法、超声法等，传统的球磨法的冲击、剪切、压缩、磨耗等作用机理决定了该法对微米级及更粗的粉末的破碎和均匀化作用明显，而对纳米细粉的作用有限；超声法虽然可以通过超声波“空化”等作用使颗粒团聚体解聚，但同时也通过非线性振动产生的Bernoulli力使单个纳米TiC颗粒相互靠近提高相互碰撞、而产生凝聚，使得已分散开的单个粉末颗粒又重新结合起来，而且对纳米粉末的硬团聚消除作用比球磨小。本发明针对纳米TiC粉末的特点和现有分散技术的不足特点，发明了一种表面修饰高能球磨法来分散纳米TiC粉末。

发明内容

本发明针对纳米TiC粉末表面吸附有大量的氧和杂质和易形成硬团聚的特点，发明了表面修饰辅助的高能球磨分散方法，其特征是先对将纳米TiC粉末进行表面修饰，然后再进行高能球磨。表面修饰处理分两步，首先就是先将纳米粉末在真空中进行脱氧处理，去除纳米粉末表面吸附的氧和杂质，以提高粉末活性和有利于后续修饰处理；然后通过超声作用将添加表面活性剂分散并连接到纳米粉末表面，完成粉末的表面修饰。随即对料浆进行高能球磨处理进一步消除团聚并真空干燥，便达到了纳米TiC粉末均匀分散的目的。

本发明的分散纳米TiC粉末的表面修饰高能球磨方法，其进一步的特征在于：

(1)纳米TiC粉末的脱氧处理在真空烧结炉中进行，粉末放置在带盖子的陶瓷坩埚中，升温速度为5～30℃/min，处理温度为1400～1500℃，保温时间为0.5～1h，真空度高于5Pa；

(2)对纳米TiC粉末进行聚氧乙烯20山梨醇酐单油酸酯的表面包覆和连接时，先用无水乙醇和纳米TiC粉末配成悬浊液，纳米TiC粉末的体积分数为1vol％～9vol％，聚氧乙烯20山梨醇酐单油酸酯的加量为0.1vol％～1vol％，利用甲酸和氨水调节悬浊液的pH值到5～9，再进行20～60min的超声处理；

(3)经过表面修饰的纳米TiC粉末料浆，在行星式球磨机中进行高能球磨处理，球磨机转速为200～400r/min，研磨时间为12～36h，研磨球为直径Φ6mm的超细硬质合金球，球料重量比为50∶1～100∶1；

(4)球磨后料浆的真空干燥处理温度为85℃～120℃，真空度为1～5Pa。

本发明的优点在于：