專利名稱：制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米材料的制備方法，具體講是利用等離子弧氣相合成法制備納米氮化鈦陶瓷粉體。
背景技術(shù)：
納米氮化鈦陶瓷粉體具有粒徑小、分布均勻、比表面積大，表面活性高，用于鍍膜，可提高硬度、熔點(diǎn)以及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，是一種很好的耐熔耐磨材料；與所有金屬、半導(dǎo)體、絕緣體具有極好的附著力；由于其低阻特性在微電子技術(shù)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，由于低的擴(kuò)散勢(shì)壘廣泛用于金屬噴涂；同時(shí)，在科學(xué)研究以及技術(shù)應(yīng)用的有關(guān)領(lǐng)域還有很多潛在的應(yīng)用。
目前國(guó)內(nèi)主要采用直接氨氣氮化法、自蔓延法、碳熱還原法、有機(jī)鹽裂解法制備氮化鈦粉體，但均為超細(xì)級(jí)，顆粒在0.7～4.5μm之間；采用等離子弧制備納米級(jí)氮化鈦陶瓷粉體，目前尚無(wú)規(guī)?；a(chǎn)的技術(shù)公開(kāi)。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)課題是提供一種有效降低燒結(jié)溫度、適于工業(yè)化采用的制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法，它包括以下步驟1、一種制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法，本發(fā)明提供的方法包括以下步驟(1)、提供一個(gè)等離子弧發(fā)生器，發(fā)生器在Ar氣環(huán)境下起弧，此時(shí)為Ar弧，起弧后通N2氣，壓力達(dá)0.30～0.35Mpa后，關(guān)閉Ar氣，從Ar弧轉(zhuǎn)為N2弧，再通H2氣，壓力達(dá)0.38～0.40MPa成為N2、H2弧；(2)、調(diào)整發(fā)生器陰陽(yáng)極間隙使電壓為270±10伏，旋轉(zhuǎn)控制旋鈕使電流240±10安；
(3)、起弧后由蒸發(fā)器將氣化的TiCl4經(jīng)向下15度的一對(duì)輸料噴管，輸入反應(yīng)器內(nèi)；將常溫的NH3氣經(jīng)0度的一對(duì)輸料噴管，輸入反應(yīng)器內(nèi)；(4)、進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的TiCl4和NH3在1200℃等離子弧熱源作用下迅速分解為Ti、Cl、N、H離子，隨之Ti與N合成為固相納米TiN，Cl與H合成為氣態(tài)HCl；(5)、合成后的TiN和HCl在引風(fēng)和載氣作用下迅速離開(kāi)反應(yīng)腔，經(jīng)垂降系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、水平冷卻系統(tǒng)后，進(jìn)行粉體收集。
在上述技術(shù)方案中，整套設(shè)備和工藝主要是通過(guò)本申請(qǐng)人在先前技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，有關(guān)技術(shù)方案已由三份中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)，專利申請(qǐng)?zhí)?2138263.8、02138262.X、02138264.6。利用本發(fā)明提供的方法生產(chǎn)出納米氮化鈦陶瓷粉體，每小時(shí)產(chǎn)量在5公斤左右。
本發(fā)明提供的等離子弧氣相合成法生產(chǎn)出納米氮化鈦陶瓷粉體具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，即超高溫，大溫度梯度，并且創(chuàng)新了三級(jí)壓縮電弧技術(shù)螺旋進(jìn)氣和壓縮氣流；高壓水冷卻電弧壁；機(jī)械壓縮噴咀。其射流可達(dá)100米/秒以上，從而獲得了能量高度集中的等離子弧，具有大量的活性粒子，促進(jìn)了反應(yīng)氣體的快速分解，并將其中的粒子以極高的速度向反應(yīng)腔噴射，產(chǎn)生了白色光致等離子弧，使離化率不斷增加。在多元快速合成裝置內(nèi)形成穩(wěn)定的高濃度的活性離子快速分解和合成，通過(guò)氮?dú)廨d體氣流，使生成的氮化鈦晶核能快速冷卻同時(shí)輸送到粉體捕集塔內(nèi)，避免在合成器內(nèi)產(chǎn)生燒結(jié)疤塊的現(xiàn)象，保證了氮化鈦粉體的生產(chǎn)率及生產(chǎn)的連續(xù)性。對(duì)反應(yīng)氣體的氣化形成與輸送進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，促使了氣相合成在等離子弧區(qū)內(nèi)能穩(wěn)定的連續(xù)的進(jìn)行，使投入產(chǎn)出比達(dá)到4∶1以內(nèi)， 同時(shí)通過(guò)可控的冷卻速度，保證了TiN的粉體粒度范圍窄和較理想的純度等優(yōu)越性能。
附圖概述

圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合圖1，等離子弧氣相合成法生產(chǎn)TiN納米粉體，是以工作氣體流經(jīng)直流電弧產(chǎn)生等離子弧為熱源，在還原氣氛下，完成下列的反應(yīng) 所用的反應(yīng)體系為TiCl4-NH3-H2-N2-Ar采用本發(fā)明制備納米氮化鈦陶瓷粉體過(guò)程中的主要設(shè)備，包括電源系統(tǒng)、等離子弧發(fā)生裝置，反應(yīng)原料供應(yīng)系統(tǒng)，多元快速合成器，粉體捕集系統(tǒng)，水平冷卻系統(tǒng)，廢氣凈化水解系統(tǒng)，氣路系統(tǒng)等八部分構(gòu)成了一套完整的等離子弧氣相合成法納米粉體制備系統(tǒng)。
該生產(chǎn)線的特點(diǎn)是原料和產(chǎn)品在封閉的管路系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行分解、合成反應(yīng)和收集，對(duì)環(huán)境，操作人員無(wú)危害，測(cè)溫裝置等是工藝參數(shù)的控制系統(tǒng)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的可靠性。
以下簡(jiǎn)要說(shuō)明具體生產(chǎn)過(guò)程首先向等離子弧發(fā)生裝置內(nèi)通入等離子體工作氣體，然后啟動(dòng)等離子體電源，在等離子體發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生等離子弧。而旋轉(zhuǎn)進(jìn)入電弧區(qū)的工作氣體被加熱至約5000℃高溫，通過(guò)噴口進(jìn)入“多元快速合成器”中，與此同時(shí)經(jīng)加溫氣化的TiCl4和NH3由專用輸料管道噴射輸入合成器中，TiCl4和NH3在1200℃弧溫區(qū)被分解并發(fā)生合成反應(yīng)，生成固相TiN經(jīng)過(guò)極短的時(shí)間(幾毫秒)的結(jié)晶長(zhǎng)大。由可控的均衡氮?dú)饬鲗?dǎo)引并冷卻，形成粒度范圍窄的超微顆粒。此顆粒被載氣氣流及管道的引力送到冷環(huán)境中后被快速冷卻下來(lái)，再經(jīng)捕集塔實(shí)現(xiàn)氣固分離而得到非晶TiN粉體，通過(guò)捕集塔的HCl氣體，則在淋洗塔中被水淋洗稀釋，含HCl的溶液收集后為副產(chǎn)品稀鹽酸出售，還有少量HCl氣體經(jīng)引風(fēng)排氣系統(tǒng)排空。
排氣系統(tǒng)經(jīng)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)符合廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。TiN生產(chǎn)線每小時(shí)生產(chǎn)率為5公斤以上，理論轉(zhuǎn)化率為3.07∶1。
有本發(fā)明制備的粉體性狀指標(biāo)是1、粒度我公司生產(chǎn)的納米TiN粉體為d50＝20nm2、化學(xué)成份
①純度99.0％②總氧含量0.72％3、物理性能③松裝密度0.12g/cm3④比表面積78m2/g4、晶型非晶和結(jié)晶型綜合以上納米氮化鈦粉體的性狀，該產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良，是一種全新型優(yōu)質(zhì)陶瓷粉體材料，其性能大大優(yōu)于超細(xì)級(jí)氮化鈦。
以下結(jié)合工藝流程圖說(shuō)明有關(guān)反應(yīng)過(guò)程及原理發(fā)生器在Ar氣環(huán)境下起弧，此時(shí)為Ar弧，起弧后通N2氣，壓力達(dá)0.30～0.35Mpa后，關(guān)閉Ar，從Ar弧轉(zhuǎn)為N2弧，再通H2氣，壓力達(dá)0.38～0.42MPa成為N2、H2??；調(diào)整發(fā)生器陰陽(yáng)極和電流控制旋鈕使電壓為270±10伏，電流240±10安；起弧后由蒸發(fā)器將氣化的TiCl4經(jīng)向下1 5度的一對(duì)輸料噴管，輸入反應(yīng)器內(nèi)；將NH3氣經(jīng)0度的一對(duì)輸料噴管，輸入反應(yīng)器內(nèi)；進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的TiCl4和NH3在等離子弧熱源(1200℃)作用下迅速分解為Ti、Cl、N、H離子，隨之Ti與N合成為固相納米TiN，Cl與H合成為氣態(tài)HCl；合成后的TiN和HCl在引風(fēng)和載氣作用下迅速離開(kāi)反應(yīng)腔，經(jīng)冷卻系統(tǒng)，分離系統(tǒng)，水平冷卻系統(tǒng)，收粉系統(tǒng)進(jìn)行粉體收集，而氣態(tài)HCl經(jīng)水解后成稀鹽酸進(jìn)入回收池中。
以下是本發(fā)明工藝中幾點(diǎn)應(yīng)注意的內(nèi)容電源“電壓、電流”，按工藝過(guò)程要求，電壓為270±10伏，電流240±10安，起弧后N2、H2調(diào)整到規(guī)定壓力后，此時(shí)電壓并不一定達(dá)270±10伏，需調(diào)整發(fā)生器中的“陰”“陽(yáng)”極間隙來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓達(dá)要求值；因?yàn)樗苯佑绊懛磻?yīng)物與生成物的分解與合成；陰陽(yáng)極壓縮角52度，孔徑φ8.8毫米，這兩個(gè)參數(shù)，對(duì)電壓的調(diào)整是很重要的；反應(yīng)氣體流量是根據(jù)反應(yīng)方程式經(jīng)理論計(jì)算得出，在輸料時(shí)必要按流量要求進(jìn)行，在執(zhí)行中通過(guò)電子稱控制TiCl4流量，通過(guò)流量計(jì)控制NH3流量；所述的粉體收集是由收粉袋構(gòu)成的收粉系統(tǒng)完成，收粉袋必須滿足收集納米級(jí)TiN和容許氣態(tài)HCl通過(guò)的選擇性布袋。它必須做到，納米級(jí)TiN能實(shí)現(xiàn)收集，而氣態(tài)HCl能通過(guò)，并進(jìn)入淋洗系統(tǒng)稀化。
四氯化鈦(TiCl4)加溫210±10度，氣壓0.35～0.4Mpa，這個(gè)數(shù)據(jù)是保證TiCl4由液態(tài)變成氣態(tài)的必要條件，不能低，當(dāng)然高一點(diǎn)是可以的，但高了工藝上的密封不好實(shí)現(xiàn)；有關(guān)工藝具體數(shù)據(jù)的說(shuō)明1、輸料管氨(NH3)輸料噴口為0度，TiCl4輸料噴口向下15度，是根據(jù)NH3與TiCl4分解不同步的時(shí)間差確定的，角度誤差范圍為±2度，角度是可以適當(dāng)變化但不能超過(guò)±2度；2、頂吹流量6～10m3/h是根據(jù)多次試驗(yàn)得出的最佳值；3、工作氣體壓力①氬氣0.15±0.03Mpa為達(dá)到能順利起弧所需的最佳值；②氮?dú)鉃?30～0.35Mpa；③氫氣為0.38～0.40Mpa；氮?dú)夂蜌錃鉃楸ＷC等離子弧進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)作，上述壓力范圍是基本保證。
4、引風(fēng)機(jī)壓力負(fù)50～60mmH2O柱，此值對(duì)收粉率及納米粉體顆粒有影響，不能太小，也不能太大。
本發(fā)明中的有關(guān)名詞的含義解釋陰陽(yáng)極壓縮角發(fā)生器中有兩個(gè)重要部件，即陰極與陽(yáng)極，陰極是凸角，陽(yáng)極是凹角，角度的大小直接影響等離子弧弧徑的壓縮效果，稱該角為壓縮角；蒸發(fā)器將液態(tài)或固態(tài)原料經(jīng)加溫后氣化，并形成所要求的壓力值，該裝置為蒸發(fā)器；輸料管反應(yīng)性氣體經(jīng)專用的具有一定內(nèi)徑尺寸及噴射角度石墨材料制成品稱為輸料管；頂吹流量為能迅速將反腔器內(nèi)合成的生成物快速帶離反應(yīng)器所需的載氣流量稱為頂吹流量。
權(quán)利要求
1.一種制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法，本發(fā)明提供的方法包括以下步驟(1)、提供一個(gè)等離子弧發(fā)生器，發(fā)生器在Ar氣環(huán)境下起弧，此時(shí)為Ar弧，起弧后通N2氣，壓力達(dá)0.30～0.35Mpa后，關(guān)閉Ar氣，從Ar弧轉(zhuǎn)為N2弧，再通H2氣，壓力達(dá)0.38～0.40MPa成為N2、H2??；(2)、調(diào)整發(fā)生器陰陽(yáng)極間隙使電壓為270±10伏，旋轉(zhuǎn)控制旋鈕使電流為240±10安；(3)、起弧后由蒸發(fā)器將氣化的TiCl4經(jīng)向下15度的一對(duì)輸料噴管，輸入反應(yīng)器內(nèi)；將常溫的NH3氣經(jīng)0度的一對(duì)輸料噴管，輸入反應(yīng)器內(nèi)；(4)、進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的TiCl4和NH3在1200℃等離子弧熱源作用下迅速分解為Ti、Cl、N、H離子，隨之Ti與N合成為固相納米TiN，Cl與H合成為氣態(tài)HCl；(5)、合成后的TiN和HCl在引風(fēng)和載氣作用下迅速離開(kāi)反應(yīng)腔，經(jīng)垂降系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、水平冷卻系統(tǒng)后，進(jìn)行粉體收集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法，其特征在于起弧后，調(diào)整氣體壓力到工作值，N2為0.3～0.35±0.03MPa、H2為0.38～0.40±0.03MPa，若電壓出現(xiàn)低于工作值時(shí)，需調(diào)整發(fā)生器中的“陰”、“陽(yáng)”極間隙來(lái)補(bǔ)償。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法，其特征在于所述的陰陽(yáng)極壓縮角調(diào)整為52度，陽(yáng)極孔徑為φ8.8mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法，其特征在于按流量指標(biāo)輸料時(shí)，通過(guò)電子稱控制TiCl4的加入量，通過(guò)流量計(jì)控制NH3流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法，其特征在于在輸料管噴咀方向設(shè)置中，氨(NH3)輸料噴口和TiCl4輸料咀口角度設(shè)置誤差為±2度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法，其特征在于頂吹載氣流量為6～10m3/h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法，其特征在于所述的粉體收集是由收粉袋構(gòu)成的收粉系統(tǒng)完成，收粉袋必須滿足收集納米級(jí)TiN和容許氣態(tài)HCl通過(guò)的選擇性布袋。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法，其特征在于通過(guò)捕集塔的HCl氣則在淋洗塔中被水淋洗后稀釋，含HCl的稀釋溶液收集后為副產(chǎn)品稀鹽酸，還有少量HCl氣體經(jīng)引風(fēng)排氣系統(tǒng)排空。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的制備納米氮化鈦陶瓷粉體的方法，其特征在于引風(fēng)機(jī)壓力為負(fù)50～60mmH2O柱。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用等離子弧氣相合成法制備納米氮化鈦陶瓷粉體，本發(fā)明包括以下步驟提供一個(gè)等離子弧發(fā)生器，在Ar氣環(huán)境下起弧后通N
文檔編號(hào)C04B35/626GK1844049SQ20061003980
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月18日
發(fā)明者張芬紅 申請(qǐng)人:張芬紅