一文了解TiC粉體制備方法及應用

發布時間 | 2017-11-14 17:07 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 8600

磨料干燥氧化鋁

導讀：

碳化鈦是一種重要的陶瓷材料，具有高熔點、超硬、化學穩定性、高耐磨性、熱傳導性能好等優良性能，在機械加工、航空領域、涂層材料等領域具有廣闊的應用前景，廣泛用作切削工具、拋光膏、磨具、抗疲勞材料及復合材料的增強體等。特別是納米級的TiC在磨料、磨具、硬質合金、高溫耐腐和耐磨涂層有大量的市場需求，更是一類附加值高的技術產品。

目前探索一種高效節能方法制備純度高、粒度分布均勻、顆粒團聚小、接近化學計量的TiC粉體成為國內外企業和科研機構關注的焦點。

一、TiC的結構與性能

TiC具有NaCl型立方晶系結構，晶胞參數是0.4327nm，在晶格位置上碳原子與鈦原子等價。

TiC立方晶體結構

在TiC化學結構中，以共價鍵為主，共價鍵程度與化學計量成正比。TiC的結構特點決定了它的基本特性（見下表），因此在復合材料、陶瓷材料、功能材料等方面具有廣泛應用。

二、TiC粉體制備方法

目前國內外制備TiC粉末的方法主要有碳熱還原TiO₂法、直接反應法、溶膠凝膠法等。每種方法合成的TiC粉體其粒子大小、粒度、分布、形態、團聚狀況、純度及化學計量各有不同。

1、碳熱還原TiO₂法

碳熱還原法是合成TiC最常用的方法。該方法以TiO₂為鈦源，在高溫、真空的條件下，利用單質C對TiO₂進行還原，合成碳化鈦，反應式如下：

TiO₂（s）+ 3C（s）→TiC + 2CO₂（g）

碳熱還原TiO₂法制備TiC的SEM圖片

碳熱還原TiO₂法優點是：具有工藝簡單，反應物料廉價等優點，大大降低生產成本，適合向工業化方向發展，制備出的TiC粉粒度一般在微米數量級，應用比較廣泛。

缺點是：反應溫度高、時間長，能耗較大，降低反應溫度、反應時間，節省能耗是急需研究的重點，對工業化生產具有重要意義。

2、直接反應法

直接反應法是以鈦和碳為原料直接反應生成TiC的方法，直接反應法是一種放熱反應，所以不需在高溫下即可完成。目前主要自蔓延合成法，化學反應式為：

Ti（s）+ C（s）→ TiC（s）

自蔓延合成法制備TiC的SEM圖片

自蔓延法優點是：反應時間短，效率高。缺點是：反應溫度相應難以控制，存在產物高溫燒結現象。

3、溶膠凝膠法

溶膠凝膠法是借助溶液使物料充分混合、分散而制備出小顆粒尺寸產物的方法。主要工藝過程是采用不同的有機-無機溶膠前驅體制備TiC粉體，制備出來的前驅體被放到氧化鋁管式爐內加熱，在1600℃時得到的TiC粉體，粒度小于1μm。

溶膠凝膠法優點是：制備的TiC粉體具有化學均勻性好、粉體粒度小且分布窄、熱處理溫度較低等優點。

缺點是：合成工藝復雜、干燥收縮較大，目前工業化生產上有一定難度。

4、其他方法

（1）化學氣相沉積

化學氣相沉積法是利用TiCl₄、H₂和C之間的反應，反應物與灼熱的鎢或炭單絲接觸而進行反應，TiC晶體直接生長在單絲上。反應式如下：

TiCl₄（g）+ 2H₂（g）+ C（s）→TiC（s）+ 4HCl（l）

化學氣相沉積法優點是：能夠制備純度高、粒徑小的納米TiC粉體。

缺點是：氣相反應器結構比較復雜，生產成本較高，目前尚無法用于大規模生產，有待進一步研究。

（2）熱等離子方法

熱等離子體法以Ti粉與CH4作為起始原料合成了TiC納米粉。總的合成反應式：

Ti（s）+ CH₄（g）→TiC（s）+ 2H₂（g）

等離子體反應系統主要由三部分組成：反應室、冷卻箱和收集室。 CH4與Ti的摩爾比為1∶1，固定摩爾比的氬氣和甲烷混合氣作為載流氣，載著鈦粉進入反應室，氬氣作為保護氣體。通常完成一次實驗的時間為45 min，合成TiC粉的平均尺寸小于100 nm。熱等離子體法合成TiC納米粉的關鍵是通過熱等離子體使原料Ti顆粒完全氣化。

等離子體法優點是：制備的納TiC粉體純度高、粒徑小、分散度高，且能夠連續生產，有望在工業生產中得到應用。

（3）微波法

微波法是一種合成TiC粉體的新方法，它是利用微波源代替傳統的熱源，具有物料反應溫度低和時間短等新特性。