一种TiC/C复合材料的合成方法
【专利说明】
(一)
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种TiC/C复合材料的合成方法。
(二)
【背景技术】
[0002]TiC作为一种过渡金属碳化物具有良好的热稳定性和化学稳定性、较高的硬度以及优异的抗氧化和耐酸碱腐蚀性能，同时具有较高的电导率，被广泛用于磨具，切削工具以及电催化和储能等领域。
[0003]迄今，TiC的合成方法有很多，碳热还原法、化学气相沉积等。碳热还原法，以T12为钛源，以石墨、活性炭、聚合物等为碳源，在高温条件下通入保护气，1102被(:还原生成TiC。陶等人用天然植物纤维吸附钛粉高温合成碳化钛纳米线(一种利用植物纤维合成碳化钛纳米线的方法，中国专利CN201010109224.8)。化学气相沉积，利用含钛的烷类物质或者含钛的卤化物，如异丙醇钛、钛酸四丁酯、四氯化钛以及四氟化钛等，甲烷、乙炔等作为碳源，高温保护气氛下在基底材料上合成TiC。尽管目前TiC的合成已经取得了一定进展，但是合成方法过于繁琐，成本较高，不利于工业化生产。
(三)
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种低成本、适于工业化生产的合成组成和结构可控的TiC/C复合材料的方法。
[0005]为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种TiC/C复合材料的合成方法，包括:
[0007](I)按钛元素和碳元素摩尔比为1: (I?4)，分别称取适量的钛源和碳材料，并将两者混合，备用；
[0008](2)将步骤(I)中获得的混合物和磨球装入高压球磨罐中，待高压球磨罐抽真空后，将CO2栗入高压球磨罐，使高压球磨罐内部压力到达80?150bar，在温度35?70°C，球磨转速为100?500r/min，反应2?24h;球磨反应结束后，将高压球磨罐内的CO2排空，冷却至室温，将粉体从球磨罐中取出；
[0009](3)在氩气气氛保护下，步骤(2)的粉体于1100?1450°C保温2?8h，自然冷却到室温，即得到TiC/C复合材料。
[0010]步骤(I)中，所述的碳材料为纯度不低于90%的碳材料，如石墨粉、活性炭、碳纤维、碳纳米管、有机树脂碳、碳黑等。
[0011]步骤(I)中，所述的钛源为纯度不低于90%的含钛化合物，如异丙醇钛、钛酸四丁酯、四氯化钛、四氟化钛等。
[0012]步骤(I)中，钛元素和碳元素的摩尔比优选为1:(I?3)。
[0013]步骤(2)中，混合物和磨球的质量比优选为1:(10?40)。
[0014]步骤(2)中，高压球磨罐中的反应条件优选为:压力为80?120bar，温度为35?500C，球磨转速为200?400r/min，反应时间为4?20h。
[0015]步骤(3)中，控制温度优选为1200?1400°C，保温优选为2?8h。
[0016]本发明优选所述合成方法由步骤(I)?(3)组成。
[0017]与现有技术相比，本发明以超临界CO2流体为溶剂，以常见碳材料和钛源为原料，通过超临界作用使碳与钛在实现在分子级别均匀混合，再结合高温固相反应法，合成TiC/C复合材料，其有益效果在于:
[0018]I)本发明以超临界CO2作为溶剂，实现钛源与碳材料在分子级别高效混合，从而确保制得的TiC/C复合材料具有批次性好，杂相少，纯度高等优点。
[0019]2)本发明制得的TiC/C复合材料，其组成和结构可控，所谓结构可控是指复合材料可高效遗传碳材料的形貌。
(四)
【附图说明】
[0020]图1是本发明实例I前驱体碳源碳纳米管的SEM照片。
[0021 ]图2是本发明实例I所得产物TiC/C的SEM照片。
[0022]图3是本发明实例I所得产物TiC/C的XRD照片。
(五)
【具体实施方式】
[0023]下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
[0024]实施例1
[0025]取0.6g碳纳米管和10.5ml质量分数为98%钛酸四丁酯，加入到高压球磨罐。然后按物料和磨球质量比1:20添加磨球。待高压球磨罐抽真空后，将CO2栗入高压球磨罐，使高压球磨罐内部压力到达10bar。在35 °C条件下，以350r/min转速连续反应12h，球磨反应结束后，将高压球磨罐内的CO2排空，冷却至室温，将粉体从球磨罐中取出。将反应后的材料置于管式炉中，在氩气保护下以5°C/min的升温速率升至1300°C进行高温反应，反应时间4h，自然冷却到室温、即得到TiC/C复合材料。从图1和图2可见，反应前后材料的形貌未发生明显改变，所得产物TiC/C复合材料(图2)较好地遗传了碳纳米管(图1)的形貌。由XRD图谱(图
3)进一步可知，TiC/C复合材料的相组成为TiC和C，达到预期效果。
[0026]实施例2
[0027]取0.Sg活性炭和8.5ml质量分数为95%异丙醇钛，加入到高压球磨罐。然后按物料和磨球质量比1:10添加磨球。待高压球磨罐抽真空后，将CO2栗入高压球磨罐，使高压球磨罐内部压力到达80bar。在40°C条件下，以250r/min转速连续反应8h，球磨反应结束后，将高压球磨罐内的CO2排空，冷却至室温，将粉体从球磨罐中取出。将反应后的材料在氩气保护下以5°C/min的升温速率升至1200°C进行高温反应，反应时间2h，自然冷却到室温、即得到TiC/C复合材料。
[0028]实施例3
[0029]取0.4g乙炔黑和3ml质量分数为99%四氯化钛，加入到高压球磨罐。然后按物料和磨球质量比1:30添加磨球。待高压球磨罐抽真空后，将CO2栗入高压球磨罐，使高压球磨罐内部压力到达120bar。在50 °C条件下，以300r/min转速连续反应18h，球磨反应结束后，将高压球磨罐内的CO2排空，冷却至室温，将粉体从球磨罐中取出。将反应后的材料在氩气保护下以5°C/min的升温速率升至1400°C进行高温反应，反应时间6h，自然冷却到室温、即得到TiC/C复合材料。
【主权项】
1.一种TiC/C复合材料的合成方法，包括: (1)按钛元素和碳元素摩尔比为1:(I?4)，分别称取适量的钛源和碳材料，并将两者混合，备用； (2)将步骤(I)中获得的混合物和磨球装入高压球磨罐中，待高压球磨罐抽真空后，将CO2栗入高压球磨罐，使高压球磨罐内部压力到达80?150bar，在温度35?70°C，球磨转速为100?500r/min，反应2?24h;球磨反应结束后，将高压球磨罐内的CO2排空，冷却至室温，将粉体从球磨罐中取出； (3)在氩气气氛保护下，步骤(2)得到的粉体于1100?1450°C保温2?8h，自然冷却到室温，即得到TiC/C复合材料。2.如权利要求1所述的TiC/C复合材料的合成方法，其特征在于:步骤(I)中，所述的碳材料为纯度不低于90%的碳材料，选自石墨粉、活性炭、碳纤维、碳纳米管、有机树脂碳、碳黑中的一种或几种的组合。3.如权利要求1或2所述的TiC/C复合材料的合成方法，其特征在于:步骤(I)中，所述的钛源为纯度不低于90%的含钛化合物，选自异丙醇钛、钛酸四丁酯、四氯化钛、四氟化钛中的一种或几种的组合。4.如权利要求1所述的TiC/C复合材料的合成方法，其特征在于:步骤(I)中，钛元素和碳元素的摩尔比为1:(1?3)。5.如权利要求1所述的TiC/C复合材料的合成方法，其特征在于:步骤(2)中，混合物和磨球的质量比为1: (10?40)。6.如权利要求1所述的TiC/C复合材料的合成方法，其特征在于:步骤(2)中，高压球磨罐中的反应条件为:压力为80?120bar，温度为35?50°C，球磨转速为200?400r/min，反应时间为4?20h。7.如权利要求1所述的TiC/C复合材料的合成方法，其特征在于:步骤(3)中，控制温度为1200?1400°C保温2?8h。8.如权利要求1所述的TiC/C复合材料的合成方法，其特征在于:所述合成方法由步骤(I)?(3)组成。
【专利摘要】一种TiC/C复合材料的合成方法，包括：(1)按钛元素和碳元素摩尔比为1：(1～4)，分别称取适量的钛源和碳材料，并将两者混合，备用；(2)将步骤(1)中获得的混合物和磨球装入高压球磨罐中，待高压球磨罐抽真空后，将CO2泵入高压球磨罐，使高压球磨罐内部压力到达80～150bar，在温度35～70℃，球磨转速为100～500r/min，反应2～24h；球磨反应结束后，将高压球磨罐内的CO2排空，冷却至室温，将粉体从球磨罐中取出；(3)在氩气气体保护下，步骤(2)得到的粉体于1100～1450℃保温2～8h，自然冷却到室温，即得到TiC/C复合材料。本发明具有低成本、适于工业化生产、复合材料组成和结构可控的优点。
【IPC分类】C04B35/56, C04B35/626
【公开号】CN105622101
【申请号】CN201610220081
【发明人】黄辉, 刘俊杰, 方如意, 夏阳, 张文魁, 梁初, 张俊, 陶新永, 甘永平
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年4月8日