专利名称：纳米碳氮化钛粉体的制备方法
技术领域：
本发明提供一种纳米碳氮化钛粉体的制备方法，属于制备纳米陶瓷技术领域。
背景技术：
碳氮化钛(Ti(C，N))具有高的熔点、硬度、热导率和电导率、耐磨性以及良好的化学稳定性，可以用来制造耐磨部件、切削刀具、电极和涂层，是一种用途广泛的新材料。碳氮化钛中C、N原子比不同，其晶格常数亦不同，随C/(C+N)值的增加，晶格常数增大。不同晶格常数的碳氮化钛，性能略有不同。
生产碳氮化钛的传统方法主要有(1)化学还原法，用碳、氮或氨直接化学还原二氧化钛、四氯化钛或氢化钛；(2)固态扩散法，在高温下(1000～1500℃)，通过碳和氮同时向钛粉固态扩散，或通过TiC和TiN的混合物相互扩散获得。采用这些方法生产的碳氮化钛颗粒尺寸都比较大，尺寸在微米级以上。
由于纳米碳氮化钛粉体具有一些明显的优点，而引起人们的重视，发展了一些制备纳米级碳氮化钛新方法。如用钠作还原剂通过TiCl4和C3N3Cl3在600℃直接反应合成制备纳米碳氮化钛，方法如下将分析纯的C3N3Cl3(1g)，过量的TiCl4(5ml)和钠(4g)放入30ml容量的高压不锈钢罐，所有操作均在氮气流的手套箱中进行。高压罐密封后在600℃保温10h，然后在炉内自然冷却到室温。将搜集到的产物分别采用无水酒精、蒸馏水和稀酸清洗多次去掉杂质，最后在70℃真空中干燥3小时[Guozhen Shen，et al.A simple route to preparenanocrystalline titanium carbinitride.Materials Research Bulletin 37(2002)1207-1211]。另一种制备纳米碳氮化钛超细粉的方法是TiO(OH)2溶胶和活性碳混合后首先在去离子水中水解，在60℃凝胶化，然后将凝胶在120℃干燥至恒重，获得的TiO2粉，再将获得的TiO2粉末放入石墨坩埚，在1400～1600℃氮气流中合成TiC1-xNx粉[Junhui Xiang，et al.Synthesis of Ti(C，N)ultralfine powders by carbothermal reduction of TiO2 derived from sol-gel process.Journal of theEuropean Ceramic Society.20(2000)933-938]。再如中国专利公报2003年9月24日公开的申请号为02125986.0的发明专利等离子化学气相合成法制备碳氮化钛陶瓷粉体的工艺，专利权人白万杰，其技术方案为利用直流电弧等离子体为热源，流经电弧的气体N2-H2-Ar加热至高温4800～5200℃与同时经蒸发器加热蒸发的液化气、TiCl4和NH3气体共同进入等离子体反应器快速发生分解和碳氮化钛的合成反应，反应器内的反应温度保持在1200～1300℃时，生成的碳氮化钛经极短的时间(毫秒级)的结晶、长大、冷却，然后经气固分离得到纳米碳氮化钛粉体。这些制备纳米碳氮化钛粉体的方法，工艺复杂、烦琐，生产率低，成本高，应用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、生产率高的纳米碳氮化钛粉体的制备方法，其技术方案为一种纳米碳氮化钛粉体的制备方法，其特征在于通过球磨罐内的钛粉、碳粉和含氮气体在球磨过程中的同时反应，一步合成制备纳米碳氮化钛粉体。
所述的纳米碳氮化钛粉体的制备方法，球磨罐内钛粉和碳粉按质量分数计的配比为钛粉组份占85％～97.5％，碳粉组份占2.5％～15％，球磨罐内含氮气体的压力保持在0.1MPa～10MPa，氮元素含量按质量分数为钛粉和碳粉总量的0.4％～40％。
所述的纳米碳氮化钛粉体的制备方法，碳粉是石墨粉、碳黑、活性碳粉或其它碳质材料。
所述的纳米碳氮化钛粉体的制备方法，含氮气体是指氮气、氨气或氮气、氨气与惰性气体的混合气体，混合气体中的氮气或氨气的分压大于0.1MPa。
制备过程为常温下将钛粉、碳粉一定比例放入球磨罐中密封，再给罐内充入含氮气体，使球磨前罐内含氮气体的压力保持在0.1MPa～10MPa，连续球磨一段时间(约50min～120min)后，钛粉、碳粉和含氮气体中的氮同时发生反应合成纳米碳氮化钛粉体。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出优点本发明的制备纳米碳氮化钛粉体的方法由钛粉、碳粉和含氮气体在球磨过程中同时发生反应一步合成，常温下进行，无需加热，工艺简单，易于控制，生产率高；通过调整固体原料中钛粉和碳粉的比例和含氮气体的压力还可以改变碳氮化钛中碳原子和氮原子的比例，获得不同晶格常数的纳米碳氮化钛粉体。
具体实施例方式
实施例1将粒径约为1μm的钛粉8g和粒径约为250μm的石墨粉1.5g放入一容积为100ml的不锈钢球磨罐中。罐中充纯氮气，球磨开始时氮气压力为0.40MPa。球磨120min时，钛粉、石墨粉和氮气同时反应得到碳氮化钛，继续球磨140min后，碳氮化钛的晶粒尺寸为30nm。碳氮化钛中碳、氮原子比约为45∶1，碳氮化钛的晶体常数为0.4311nm。
实施例2将粒径约为1μm的钛粉8g和粒径约为250μm的碳黑1.0g放入一容积为100ml的不锈钢球磨罐中。罐中充纯氮气，球磨开始时氮气压力为0.60MPa。球磨85min时，钛粉、碳黑和氮气同时反应得到碳氮化钛。继续球磨110min后，碳氮化钛的晶粒尺寸为20nm。碳氮化钛中碳、氮原子比约为1.9∶1，碳氮化钛的晶体常数为0.4295nm。
实施例3将粒径约为1μm的钛粉8g和粒径约为250μm的碳黑0.5g放入一容积为100ml的不锈钢球磨罐中。罐中充纯氨气，球磨开始时氨气压力为0.60MPa。球磨94min后，钛粉、碳黑和氮气同时反应得到碳氮化钛。继续球磨至120min后，碳氮化钛的晶粒尺寸为14nm，碳、氮原子比约为0.7∶1，碳氮化钛的晶体常数为0.4260nm。
权利要求
1.一种纳米碳氮化钛粉体的制备方法，其特征在于通过球磨罐内的钛粉、碳粉和含氮气体在球磨过程中的同时反应，一步合成制备纳米碳氮化钛粉体。
2.根据权利要求1所述的纳米碳氮化钛粉体的制备方法，其特征在于球磨罐内钛粉和碳粉按质量分数计的配比为钛粉组份占85％～97.5％，碳粉组份占2.5％～15％，球磨罐内含氮气体的压力保持在0.1MPa～10MPa，氮元素含量按质量分数为钛粉和碳粉总量的0.4％～40％。
3.根据权利要求1所述的纳米碳氮化钛粉体的制备方法，其特征在于碳粉是石墨粉、碳黑、活性碳粉或其它碳质材料。
4.根据权利要求1所述的纳米碳氮化钛粉体的制备方法，其特征在于含氮气体是指氮气、氨气或氮气、氨气与惰性气体的混合气体，混合气体中的氮气或氨气的分压大于0.1MPa。
全文摘要
本发明提供一种纳米碳氮化钛粉体的制备方法，其特征在于通过球磨罐内的钛粉、碳粉和含氮气体在球磨过程中的同时反应，一步合成制备纳米碳氮化钛粉体。本发明工艺常温下进行，无需加热，工艺简单，易于控制，生产率高；并且通过调整固体原料中钛粉和碳粉的比例和含氮气体的压力还可以改变碳氮化钛中碳原子利氮原子的比例，获得不同品格常数的纳米碳氮化钛粉体。
文档编号C01B21/00GK1803587SQ20051004236
公开日2006年7月19日 申请日期2005年1月13日 优先权日2005年1月13日
发明者殷凤仕 申请人:山东理工大学