[发明专利]一种TiN、TiC、TiCN粉体的制备系统及制备方法

说明书

本发明公开了一种TiN、TiC、TiCN粉体的制备系统及方法。粗的含钛粉体在预反应流化床内经过预处理后被输送到粉体合成流化床中，随后在氮源、碳源的气氛中被直接氮化或(和)碳化成细小的TiN、TiC、TiCN粉体。本发明降低了TiN、TiC、TiCN粉体的合成温度，克服了传统直接氮化或(和)碳化工艺中需多次破碎、反复氮化或(和)碳化过程，提高了粉体制备效率，解决了传统工艺中TiCl₄钛源氮化或(和)碳化效率低的问题，提高了原料利用率，并且工艺流程简单，能够实现连续批量化生产TiN、TiC、TiCN粉体，适用于大规模工业化生产，具有良好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于化工、材料领域，涉及粉体的制备方法，特别是一种TiN、TiC、TiCN粉体的制备工艺。

背景技术

TiN、TiC、TiCN金属陶瓷因具有熔点高、硬度大、耐腐蚀、耐磨、抗氧化能力强以及良好的导电、导热等优异性能，在机械加工、航空航天、石油化工、电子信息、生物电化学等领域具有广泛的应用。例如，TiN、TiC、TiCN可作为刀具材料、模具材料、防腐材料、导电陶瓷材料、电极材料、装饰材料、节能材料、耐磨材料以及生物相容性材料。TiN、TiC、TiCN粉体是制备这些高性能TiN、TiC、TiCN材料的基础。经过过去几十年的不断研发，目前主要有以下几大类制备方法：

(1)碳热还原法，即把TiO₂细粉体和C粉体混合，在高温(至少1300℃)氮源气体或者(和)碳源还原合成TiN、TiC、TiCN粉体。例如，中国专利CN201110076900.0采用纳米级TiO₂和C为原料，在高温气氛炉中通入高压的N₂制备粉体，然后经过破碎，筛分出微米级TiCN粉体。为降低温度，中国专利CN200510010013.8基于自蔓延燃烧，采用TiO₂、Mg、C为原料压制成一定密度的块体，然后在N₂中点燃合成粉体，最后经过破碎、酸洗获得亚微米级TiN、TiC、TiCN粉体。该类方法的主要问题是制备的TiN、TiC、TiCN粉体杂质含量高(氧或金属添加剂等杂质)且其中经常会伴随着这三者中的任意两种或者三种同时存在，很难获得高纯度的单相粉体。

(2)溶胶-凝胶法，即把有机或无机钛源、有机碳源与无机盐等混合，加入络合剂制备出钛的凝胶，经过干燥后在高温氮源气体或者(和)碳源气体中反应制备纳米级的TiN、TiC、TiCN粉体。从本质上讲，该方法还是基于碳热还原反应再氮化或者(和)碳化，因为凝胶在煅烧的过程中会形成纳米TiO₂，而后纳米TiO₂再被有机碳源裂解后生成的碳源还原成钛，然后再与高温氮源气体或者(和)碳源气体反应获得粉体，最后经过破碎、清洗、筛分出不同粒径的TiN、TiC、TiCN粉体。例如，中国专利CN200910076143.X采用TiCl₄或钛酸四丁酯等钛源与葡萄糖或者柠檬酸等含碳有机物混合，在其中加入硝酸、尿素等添加剂配置成溶胶，然后老化成凝胶，再经过在管式炉中干燥煅烧制备出纳米TiN粉体。尽管该方法可以获得纳米级粉体，但是该方法仍然没有克服杂质含量高且容易形成杂相的问题。

(3)物理气相沉积法，即钛原子直接与N或者(和)C原子反应制备TiN、TiC、TiCN粉体。例如，欧洲专利EP0522873A1通过氮的等离子体和金属钛原子物理气相沉积制备了TiN_x粉体。该类方法的主要问题是制备TiN、TiC、TiCN粉体设备成本高、得粉率低、难以满足工业中低成本高效率的要求。