本发明属于钒类合金的制备技术领域，具体涉及一种面心立方氮化钒纳米材料的制备方法及其产品。
背景技术：
金属钒在钢铁工业中已有近百年的时间，一直以钒铁的形式进行使用。钒氮合金是一种最新型合金添加剂，可以替代氮化钒铁用于微合金化钢的生产。在热轧的高强度低合金钢中，微合金元素钒和钢中的碳氮元素结合，以微小的碳氮化物形式析出，一方面起到了细化晶粒的作用以获得良好韧性，另一方面起到沉淀强化的作用从而显著提高钢的屈服强度。氮化钒一般具有VN、V2N、V3N三种形态，其中VN和V3N都具有稳定的晶体结构，V2N是制备VN和V3N这两种形态过程中产生的中间产物。V3N属于六方晶系，具有非常高的硬度，显微硬度约为1900HV，熔点不可测；VN和V3N这两种晶体结构具有很高的熔点及耐磨性，在许多领域有着非常重要的应用。
氮化钒的热、化学稳定性非常高，机械性能强，已经广泛用于磨具、切削工具和结构材料；同时氮化钒也是一种非常好的催化剂，具有高选择性、高催化活性和稳定性以及抗中毒性能。细粒度的VN能有效提高催化活性，改善结构材料的韧性。氮化钒纳米材料的粒径在100nm以下，具有更高的比表面积，因此对比微米级的氮化钒材料，它作为催化剂拥有更高的催化活性，作为金属或陶瓷材料的添加剂，能够更显著的提高金属或陶瓷材料的强度和耐磨性等。
传统氮化钒的制备主要有高温真空制备和高温非真空制备两种方法：高温真空法生产周期长、生产成本高且只能间断操作，很难大批量生产，但氮化钒市场需求总量不可能很大，采用此法得到的产品含氮量高、质量稳定、市场效益好；高温非真空法可连续化工业生产，大幅度提高了劳动效率、缩短了生产周期、降低了生产成本，但产品质量和稳定性上稍逊于采用高温真空法制得的产品。近年来制备氮化钒的发展趋势是反应过程环保化连续化简单化，产物纳米化高纯度化和商品化，反应条件温和化。纳米级氮化钒与微米级氮化钒相比，具有以下优点：1、更有效的提高金属、陶瓷基体的强度和耐磨性；2、更高的催化活性；3、较低一些材料的烧结温度，提高烧结性能；4、更高的超导性能。
近年来，纳米氮化钒的制备又发展了一些新的方法：VN纳米微粒通过VCl4、NH4Cl和Mg在773K反应制得；钒粉与NH4Cl在873K直接氮化制备尺寸均已的纳米颗粒；气态的VOCl5在大气压下用N2/Ar/H2微波等离子焰分解，制备了含有少量V2O5的氮化钒纳米微粒；在NH3中723K～973K通过热分解和氮化[VO(NH2O)2Gly]·H2O制得具有类立方NaCl结构的氮化钒纳米晶等。申请号为03115491.3的发明专利公开了一种立方相纳米氮化钒粉体的制备方法，以沉淀法制备的一水合五氧化二钒(V2O5·H2O)粉体为原料，在氨气气氛中将一水合五氧化二钒粉体于管式反应炉中高温氮化制得立方相纳米氮化钒粉末。通过改变氮化温度、氮化时间等工艺条件，可获得小于50nm的不同晶粒尺寸的纳米氮化钒粉体。氮化反应温度控制在500～800℃，氮化保温时间3～5小时，氮化升温速率为5～10℃/分钟。在优化条件下，可得到立方相纳米氮化钒粉体。该方法与以往方法相比具有很多优点，如反应温度低，反应时间短，但是其制备工艺比较复杂，周期较长。
申请号为02115285.3的发明专利公开了一种氮化钒纳米粉体的制备方法。该方法是用工业级V2O5还原制备VOCl2溶液，再与(NH4)2CO3或NH4HCO3反应，合成氧钒(Ⅳ)碱式碳酸铵前驱体。前驱体在NH3气氛中在较温和的条件下氨解氮化，可获得粒径在20nm到1μm、粒度分布均匀、氮化钒含量高于98％的氮化钒纳米粉体。
传统方法均需在高温下制备，生产成本较高，且得到的产品中杂质元素含量偏高，这大大限制了纳米氮化钒的应用和生产技术的推广。因此发明一种合成温度低、操作容易、制备方法简单、产品质量好的纳米氮化钒工艺有着重要的现实意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种面心立方氮化钒纳米材料的制备方法及其产品。该方法是以粉状钒酸铵、盐酸肼(N2H4·2HCl)和钠等还原剂为原料，按一定的配比放入不锈钢釜中，在高温炉中加热制得粗产品，然后将自然冷却至室温的粗产品进行洗涤除去杂质，并在真空干燥箱中干燥，最后得到晶型为面心立方的氮化钒纳米材料，实现了以钒酸铵为原料，降低了原料来源的成本；显著降低了反应温度，简化了工艺过程，从而节约了能源，便于连续化生产，且对环境无污染；得到的产品纯度高、结晶性好。
本发明是通过下述的技术方案实现的：
一种面心立方氮化钒纳米材料的制备方法，以钒酸铵、盐酸肼和钠为原料在高温反应装置中加热反应制备得到产物，产物自然冷却至室温，得到粗品面心立方氮化钒纳米材料。
具体的，钒酸铵、盐酸肼和钠的质量比为1:2～2.3:1.5～1.8，优选的，质量比为1:2:1.5。
具体的，所述的高温反应装置为碳管炉、管式炉、微波烧结炉、感应炉、回转炉、推板窑或隧道窑。
具体的，加热的升温模式为：以18～22℃/min的速率从室温增加到400～600℃。
具体的，反应时间为4～6小时。
优选的，钒酸铵为粉状，分析纯级；盐酸肼为分析纯级；钠为分析纯级。
进一步的，将粗品面心立方氮化钒纳米材料进行洗涤除去杂质，并在真空干燥箱中干燥，得到纯化面心立方氮化钒纳米材料。
具体的，洗涤除去杂质的过程为：用盐酸、去离子水和无水乙醇依次洗涤。
具体的，干燥的过程为：在45～55℃的真空干燥箱中干燥1～2小时。
本发明还提供了根据上述面心立方氮化钒纳米材料的制备方法制备得到的面心立方氮化钒纳米材料。
与现有的制备纳米氮化钒粉体的方法相比，本发明具有如下明显的优点：
1、实现了以钒酸铵为直接原料，降低了原料来源的成本，且原料来源丰富。
2、工艺过程简单，对设备要求低。所用的反应炉为普通的回转窑、推板窑或隧道窑，不需要在特殊条件下才能反应。
3、显著的降低了反应温度，从而降低了生产条件和生产成本。
4、反应温度低，且反应温度易于控制，提高了产物的产量和纯度。
5、得到的纳米氮化钒相比较现有方法生产得到的纳米氮化钒，其成分单一、粒度均匀、分散性好、纯度高达96％以上。
附图说明
图1是本发明所提供的氮化钒纳米材料的XRD图。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
取分析纯级的粉状钒酸铵2g、盐酸肼(N2H4·2HCl)4g和钠3g放入不锈钢釜中，封紧反应釜。放入推板窑的进料仓里，以20℃/min的速率从室温增加到500℃，然后将得到的产品自然冷却至室温。取出粗产品，用无水乙醇取出多余的金属钠，然后分别用盐酸、去离子水和无水乙醇洗涤，收集产品，最后在50℃真空干燥箱中干燥1小时。分析产品得到的纳米级氮化钒为面心立方结构，且粉体的平均粒度在80～100nm，纯度达到了96％。
实施例2
取分析纯级的粉状钒酸铵1g、盐酸肼(N2H4·2HCl)2.1g和钠1.6g放入不锈钢釜中，封紧反应釜。放入推板窑的进料仓里，以20℃/min的速率从室温增加到450℃，然后将得到的产品自然冷却至室温。取出粗产品，用无水乙醇取出多余的金属钠，然后分别用盐酸、去离子水和无水乙醇洗涤，收集产品，最后在50℃真空干燥箱中干燥1.2小时。分析产品得到的纳米级氮化钒为面心立方结构，且粉体的平均粒度在100～130nm，纯度达到了96％。
实施例3
取分析纯级的粉状钒酸铵3g、盐酸肼(N2H4·2HCl)6.3g和钠4.8g放入不锈钢釜中，封紧反应釜。放入推板窑的进料仓里，以20℃/min的速率从室温增加到550℃，然后将得到的产品自然冷却至室温。取出粗产品，用无水乙醇取出多余的金属钠，然后分别用盐酸、去离子水和无水乙醇洗涤，收集产品，最后在50℃真空干燥箱中干燥1.5小时。分析产品得到的纳米级氮化钒为面心立方结构，且粉体的平均粒度在70～90nm，纯度达到了97％。
实施例4
取分析纯级的粉状钒酸铵1.5g、盐酸肼(N2H4·2HCl)3.3g和钠2.55g放入不锈钢釜中，封紧反应釜。放入推板窑的进料仓里，以20℃/min的速率从室温增加到600℃，然后将得到的产品自然冷却至室温。取出粗产品，用无水乙醇取出多余的金属钠，然后分别用盐酸、去离子水和无水乙醇洗涤，收集产品，最后在50℃真空干燥箱中干燥2小时。分析产品得到的纳米级氮化钒为面心立方结构，且粉体的平均粒度在60～80nm，纯度达到了98％。
实施例5
取分析纯级的粉状钒酸铵1.8g、盐酸肼(N2H4·2HCl)3.78g和钠3.24g放入不锈钢釜中，封紧反应釜。放入推板窑的进料仓里，以20℃/min的速率从室温增加到400℃，然后将得到的产品自然冷却至室温。取出粗产品，用无水乙醇取出多余的金属钠，然后分别用盐酸、去离子水和无水乙醇洗涤，收集产品，最后在50℃真空干燥箱中干燥1.6小时。分析产品得到的纳米级氮化钒为面心立方结构，且粉体的平均粒度在120～140nm，纯度达到了97％。
图1是本发明实施例1得到的氮化钒纳米材料的XRD图。从图中可以看出：XRD的谱峰尖锐，半峰宽度窄，基线平直，结晶性很好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。