[发明专利]非水解溶胶-凝胶结合碳热还原氮化法制备TiN粉体的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种非水解溶胶-凝胶结合碳热还原氮化法制备TiN粉体的方法。

背景技术

氮化钛(TiN)是近年来日益引人注目的一种新型功能材料，具有高熔点、高硬度、耐磨损、耐酸碱腐蚀及良好的导电性等优异特性，在高温结构部件、微电子、电容器、催化剂等领域具有广泛应用。TiN可用于改善超硬工具的特性，制造熔融金属坩埚、化学装置、热交换器、热电偶保护套等。TiN粉体作为增强相可提高陶瓷和金属基体的强度和韧性，还可作为燃料电池电极催化剂载体和电极材料。合成纯度高、粒度细小、粒度分布窄、性能稳定的TiN粉体是制备高性能TiN材料的重要前提条件之一。

目前，TiN粉体的制备方法主要有直接氮化法、化学气相沉积法、溶剂热合成法和碳热还原氮化法等。例如，罗锡山以TiH₂为原料在纯度大于99.999％的N₂气氛中在700～1000℃反应温度下保温1～4h制得纯度大于90％TiN粉体(粉末冶金工业，1997，7(3)：28-30.)。Karo Akio等以TiCl₄、NH₃、H₂、N₂为原料，采用化学气相沉积法在700～1500℃制备了TiN粉末(Journal of the Ceramic Society of Japan，1975，83(9)：453-458.)。谈国强等以分析纯TiCl₄为钛源和NaN₃为氮源，二甲苯为溶剂，采用溶剂热合成法制得了纳米级TiN粉末，其晶胞参数为0.4241nm，平均粒径为11.04nm。(稀有金属材料与工程，2007，36(2)：247-249.)。吴峰等以锐钛矿、金红石型TiO₂为钛源，鳞片石墨、炭黑和可膨胀石墨为碳源，采用碳热还原氮化法在1300～1400℃反应5h合成出纯度较高的TiN粉体(耐火材料，2006，40(2)：89-91.)。谈国强等以TiO₂、葡萄糖、尿素和石油焦为原料，以N₂作为还原剂，利用碳热还原氮化技术在1350～1400℃反应5h制备出TiN粉体(International Journal of Nanoscience，2006，5(4)：571-577.)。

上述制备方法中，直接氮化法操作简便，可以得到高纯度的TiN粉末，但所得粉末易团聚，且原料价格昂贵，难于批量生产，制备过程中会产生环境污染。化学气相沉积法具有产物纯度高，粒度细小均匀等优点，但存在产量小、反应复杂、不易控制、原料成本较高等缺点。溶剂热合成法能够制得纳米级TiN粉体，不过合成的TiN粉体团聚较严重，产物中的杂质尚不能用高温的方法除去，影响了产物的质量。相比之下，碳热还原氮化法设备简单，容易操作，成本低廉，但原料难以混合均匀造成合成温度高、反应时间长。为此，制备出高活性、大比表面积的前驱体可以促进还原氮化气体扩散传质，提高前驱体还原氮化活性，可以降低碳热还原氮化法制备氮化物粉体合成温度、缩短反应时间(Surface and Coatings Technology，2005，(198)：24-29；CN101318638；Chemistry of Materials，2006，13，3122-3129.)。

目前报道的文献中多以水解溶胶-凝胶法合成TiO₂前驱体作为碳热还原氮化法合成TiN的原料，例如，谈国强等以Ti(OC₄H₉)₄、无水乙醇和水为原料，采用溶胶-凝胶法制备出TiO₂前驱体，以石油焦为碳源，在3.6L／min的N₂流量下利用碳热还原氮化法在1350℃反应5h制备出纯度较高的TiN粉体(云南大学学报，2005，27(5A)：414-417.)。然而，其原料金属钛醇盐极易水解，需要严格控制水解速率，才能获得高活性的前驱体。为此，探索一种既易于控制、工艺简单，又可获得具有更高活性TiO₂纳米前驱体的方法，对降低TiN粉体合成温度、缩短反应时间具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有TiN粉体制备技术中的不足，提供一种非水解溶胶-凝胶结合碳热还原氮化法制备TiN粉体的方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：