一種溶膠凝膠法制備亞微米級(jí)氮化鈦粉體材料的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種溶膠凝膠法制備亞微米級(jí)氮化鈦粉體材料的方法。首先將普通二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂和甲醇按照摩爾比1:0.3~0.6:1.2~2.3在常溫下攪拌混合均勻，然后在70~110℃下保溫2~4小時(shí)，得到二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體。將此前驅(qū)體置于高溫爐中加熱，在1200~1500℃、氮?dú)鈿夥障拢?~4小時(shí)，最終得到亞微米級(jí)(200nm~1μm)的氮化鈦粉體。反應(yīng)過(guò)程中，酚醛樹(shù)脂熱解生成高活性的無(wú)定形碳，包裹住二氧化鈦粉體，形成球殼微觀結(jié)構(gòu)，極大程度地增加了反應(yīng)物之間的接觸面積，有利于碳熱還原反應(yīng)的進(jìn)行。本發(fā)明所選用的原料成本低廉，燒結(jié)時(shí)間短，工藝簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種溶膠凝膠法制備亞微米級(jí)氮化鈦粉體材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷材料制備領(lǐng)域，尤其涉及一種溶膠凝膠法制備氮化鈦粉體材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鈦具有典型的NaCl型結(jié)構(gòu)，屬面心立方點(diǎn)陣，晶格常數(shù)a=0.4241nm。氮化鈦具有非常優(yōu)異的機(jī)械及物理化學(xué)性能，在硬質(zhì)薄膜、光學(xué)薄膜、集成電路和熱傳導(dǎo)涂層等領(lǐng)域顯示出極大的應(yīng)用前景。隨著市場(chǎng)對(duì)其的質(zhì)量以及數(shù)量需求愈來(lái)愈大，改進(jìn)氮化鈦生產(chǎn)工藝是一個(gè)重要的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外制備氮化鈦的方法主要有金屬鈦粉或氫化鈦直接氮化法、原位氮化法、機(jī)械合金化法、鎂熱還原法、等離子法和自蔓延高溫合成法等。
[0003]盡管氮化鈦合成工藝經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，工業(yè)上已經(jīng)有了一套比較完善的生產(chǎn)方法，但是其生產(chǎn)工藝上仍然遺留著待解決的問(wèn)題，如:工藝繁雜、難以大量生產(chǎn)、所用原料昂貴、生產(chǎn)成本高、周期慢等。利用低成本的原材料有效快速地制備高純高細(xì)高質(zhì)量的氮化鈦成為了各國(guó)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。專(zhuān)利CN104498982A中公開(kāi)了一種制備氮化鈦的方法，在鈦可溶陽(yáng)極電解制備金屬鈦的過(guò)程中，在陰極通入氮?dú)?，氮?dú)馀c陰極產(chǎn)生的鈦反應(yīng)生成氮化鈦，分離電解質(zhì)和氮化鈦，得到氮化鈦產(chǎn)品。分離電解質(zhì)過(guò)程中需要控制真空度小于10Pa，且需要采用濃度0.5?2wt%的鹽酸酸洗。該工藝受到真空條件的限制，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生廢液，造成環(huán)境污染。專(zhuān)利CN104928656A中公開(kāi)了一種氮化鈦薄膜的制備方法，利用含鈦的有機(jī)前驅(qū)體溶膠，在常溫下浸漬襯底，干燥后進(jìn)行熱處理得到氧化鈦薄膜，隨后在氨氣氣氛下對(duì)氧化鈦薄膜進(jìn)行高溫氮化處理，獲得氮化鈦薄膜。得到氧化鈦薄膜的過(guò)程中，需要重復(fù)處理3?15次，工藝繁瑣，雖然最終得到了氮化鈦薄膜，但其尺寸和形狀受工藝特性影響而受到很大限制。專(zhuān)利CN102659087A中公開(kāi)了一種原位碳熱還原氮化法制備氮化鈦的方法，結(jié)合醇熱法和氨氣保護(hù)下的氮化制備技術(shù)，通過(guò)改變醇熱時(shí)間來(lái)制備不同形貌結(jié)構(gòu)的氮化鈦前驅(qū)體，在進(jìn)行碳熱還原氮化，得到了大比表面積的特殊形貌結(jié)構(gòu)的氮化鈦。制備過(guò)程中需要使用1.2?1.3mol/L的硫酸氧鈦酸性溶液，制備前驅(qū)體過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生廢酸，造成環(huán)境污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種采用溶膠凝膠法制備亞微米級(jí)氮化鈦粉體材料的方法。本發(fā)明采用普通二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂、甲醇作為原料，降低了制備成本;并通過(guò)溶膠凝膠法制備了二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體，增大了反應(yīng)物之間的接觸面積;該方法工藝簡(jiǎn)單，可以制備出高純度、亞微米級(jí)氮化鈦粉體顆粒。
[0005]本發(fā)明采用普通二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂、甲醇作為原料，并通過(guò)溶膠凝膠法制備了二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體。
[0006]本發(fā)明的具體步驟如下:
(I)將二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂和甲醇按照摩爾比為1:(0.3?0.6):(1.2?2.3)混合，形成混合液； (2)將混合溶液在70?110°C下烘干2?4小時(shí)，得到二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體；
(3)將前驅(qū)體放入高溫爐中加熱，在1200?1500°C、氬氣氣氛下，保溫I?4小時(shí)，酚醛樹(shù)脂熱解生成無(wú)定形碳，通過(guò)碳熱還原反應(yīng)，最終得到亞微米級(jí)氮化鈦粉體材料。
[0007]上述步驟(I)中，二氧化鈦和酚醛樹(shù)脂在甲醇溶液中通過(guò)電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉(zhuǎn)速為100~400rpm，攪拌時(shí)間I?3小時(shí)。
[0008]所述碳熱還原反應(yīng)的工藝為，以5?15°C/min的速率升溫至1200?1500°C，保溫I?4小時(shí)，然后以5?15 °C /min的速率降至室溫。
[0009]本發(fā)明還涉及上述工藝制備的氮化鈦，所述氮化鈦的純度大于99.5%，粒度為200nm?Iym0
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備以下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明采用二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂和甲醇為原料，相比于其他制備方法成本更加低廉，制備溫度較低，工藝流程簡(jiǎn)單，且易于工業(yè)化生產(chǎn)；
2、本發(fā)明采用溶膠凝膠法制備二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體，兩種反應(yīng)物混合均勻，酚醛樹(shù)脂熱解產(chǎn)生的無(wú)定形碳與二氧化鈦顆粒形成球殼結(jié)構(gòu)，增大了反應(yīng)物之間的接觸面積，且產(chǎn)生的無(wú)定形碳活性高，有利于碳熱還原反應(yīng)的進(jìn)行；
3、本發(fā)明得到的氮化鈦顆粒純度高，且為亞微米級(jí)粉體材料。
【附圖說(shuō)明】
[0011 ]圖1為實(shí)施例1碳熱還原溫度為1500 °C時(shí)氮化鈦的X射線衍射圖(XRD)。
[0012]圖2為實(shí)施例2碳熱還原溫度為1400°C時(shí)氮化鈦的X射線衍射圖(XRD)。
[0013]圖3為實(shí)施例3碳熱還原溫度為1300°C時(shí)氮化鈦的X射線衍射圖(XRD)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0015]實(shí)施例1:
將二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂和甲醇按照摩爾比為1:0.5:1.9混合，利用電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉(zhuǎn)速為300rpm，攪拌時(shí)間3小時(shí)。將混合溶液在110 °C下烘干2小時(shí)，得到二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體。將前驅(qū)體放入氧化鋁坩禍中，氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，以5°C/min的速率升溫至1500 0C，保溫4小時(shí)，然后以5°C/min的速率降至室溫，最終得到了純度大于99.5%的氮化鈦粉體，粒度為200nm?Ιμπι。
[0016]圖1是碳熱還原溫度為1500°C時(shí)產(chǎn)物的X射線衍射圖(XRD)，證明產(chǎn)物為氮化鈦，且不存在其他雜相。
[0017]實(shí)施例2:
將二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂和甲醇按照摩爾比為1:0.6:2.3混合，利用電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉(zhuǎn)速為300rpm，攪拌時(shí)間3小時(shí)。將混合溶液在110 °C下烘干2小時(shí)，得到二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體。將前驅(qū)體放入氧化鋁坩禍中，氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，以5°C/min的速率升溫至1400°C，保溫4小時(shí)，然后以5°C/min的速率降至室溫，最終得到了純度大于99.5%的氮化鈦粉體，粒度為200nm?Ιμπι。
[0018]圖2是碳熱還原溫度為1400°C時(shí)產(chǎn)物的X射線衍射圖(XRD)，證明產(chǎn)物為氮化鈦，且不存在其他雜相。
[0019]實(shí)施例3:
將二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂和甲醇按照摩爾比為1:0.5:1.9混合，利用電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉(zhuǎn)速為300rpm，攪拌時(shí)間3小時(shí)。將混合溶液在110 °C下烘干2小時(shí)，得到二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體。將前驅(qū)體放入氧化鋁坩禍中，氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，以5°C/min的速率升溫至1300 0C，保溫4小時(shí)，然后以5°C/min的速率降至室溫，最終得到了純度大于99.5%的氮化鈦粉體，粒度為200nm?Ιμπι。
[0020]圖3是碳熱還原溫度為1300°C時(shí)產(chǎn)物的X射線衍射圖(XRD)，證明產(chǎn)物為氮化鈦，且不存在其他雜相。
[0021]實(shí)施例4:
將二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂和甲醇按照摩爾比為1:0.6:2.3混合，利用電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉(zhuǎn)速為400rpm，攪拌時(shí)間I小時(shí)。將混合溶液在110 °C下烘干4小時(shí)，得到二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體。將前驅(qū)體放入氧化鋁坩禍中，氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，以15°C/min的速率升溫至12000C，保溫4小時(shí)，然后以15°C/min的速率降至室溫，最終得到了純度大于99.5%的氮化鈦粉體，粒度為200nm?500nm。
[0022]實(shí)施例5:
將二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂和甲醇按照摩爾比為1:0.3:1.2混合，利用電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉(zhuǎn)速為10rpm，攪拌時(shí)間4小時(shí)。將混合溶液在110 °C下烘干4小時(shí)，得到二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體。將前驅(qū)體放入氧化鋁坩禍中，氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下，以15°C/min的速率升溫至1500 °C,保溫I小時(shí)，然后以15 °C /min的速率降至室溫，最終得到了純度大于99.5%的氮化鈦粉體，粒度為200nm?I nm。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種溶膠凝膠法制備亞微米級(jí)氮化鈦粉體材料的方法，其特征在于，采用普通二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂、甲醇作為原料，并通過(guò)溶膠凝膠法制備了 二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體。2.如權(quán)利要求1所述的溶膠凝膠法制備亞微米級(jí)氮化鈦粉體材料的方法，其特征在于，具體步驟如下: I)將二氧化鈦、酚醛樹(shù)脂和甲醇按照摩爾比為1:(0.3?0.6):(1.2?2.3)混合，形成混合液； 2 )將混合溶液在70?I10C下烘干2?4小時(shí)，得到二氧化鈦/酚醛樹(shù)脂前驅(qū)體； 3)將前驅(qū)體放入高溫爐中加熱，在1200?1500°C、氬氣氣氛下，保溫I?4小時(shí)，酚醛樹(shù)脂熱解生成無(wú)定形碳，通過(guò)碳熱還原反應(yīng)，最終得到亞微米級(jí)氮化鈦粉體材料。3.如權(quán)利要求1所述的溶膠凝膠法制備亞微米級(jí)氮化鈦粉體材料的方法，其特征在于，上述步驟I)中，二氧化鈦和酚醛樹(shù)脂在甲醇溶液中通過(guò)電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉(zhuǎn)速為100?400rpm，攬摔時(shí)間I?3小時(shí)。4.如權(quán)利要求1所述的溶膠凝膠法制備亞微米級(jí)氮化鈦粉體材料的方法，其特征在于，所述碳熱還原反應(yīng)的工藝為，以5?15°C/min的速率升溫至1200?1500 °C，保溫I?4小時(shí)，然后以5?15°C/min的速率降至室溫。5.如權(quán)利要求1所述的溶膠凝膠法制備亞微米級(jí)氮化鈦粉體材料的方法，其特征在于，所述工藝制備的氮化鈦的純度大于99.5%，粒度為200nm?Ιμπι。
【文檔編號(hào)】C01B21/076GK105836718SQ201610273665
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】張國(guó)華, 茍海鵬, 吳柯漢, 周?chē)?guó)治
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)