基本信息
- 項目名稱：
- 納米過渡金屬碳化物的合成及其高溫高壓特性研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 采用納米級原材料在較低反應溫度、較短反應時間和簡單制備工藝條件下，合成納米碳化鉻（釩）粉末，并將其應用于超細硬質合金，顯著降低WC晶粒尺寸，提高超細硬質合金性能，嘗試對其高溫高壓物理特性進行研究
- 詳細介紹：
- 過渡金屬碳化鉻（釩）具有較高的熔點、硬度和高溫強度，以及良好的電導率和熱導率。這些優(yōu)異的性能確保了它們在冶金、電子、催化劑和高溫涂層材料等方面的廣泛應用?，F(xiàn)代工業(yè)尤其是超細硬質合金行業(yè)迫切需要高性能納米碳化鉻（釩）粉末。 目前，制備碳化鉻（釩）粉末的方法中，主要存在團聚、較寬的粒徑分布、低產量、復雜的監(jiān)控和昂貴的成本等問題，從而限制了其在工業(yè)中的應用。為此，本課題從改善反應熱力學和動力學入手，首次以納米碳黑和納米氧化鉻（氧化釩）為原料，采用碳化還原法制備納米碳化鉻（釩）粉末，并將其應用于超細硬質合金，嘗試對其高溫高壓特性進行研究。研究結果表明： 1. 碳含量為28wt.% ，反應溫度為1100℃、保溫時間為1h時，反應產物為單一的Cr3C2（V8C7），平均晶粒尺寸為25.6nm（26.8nm）。 2. 反應產物的顆粒呈球形，無明顯團聚現(xiàn)象，顆粒尺寸約30nm。 3. 納米V8C7可以有效抑制超細WC基硬質合金中WC晶粒的長大（添加前：WC的晶粒尺寸>1μm；添加后：WC的晶粒尺寸＜0.5μm）；添加納米V8C7后，超細WC基硬質合金具有較高的性能（相對密度99.7%，洛氏硬度93.4，斷裂韌性12.7 MPa?m1/2）。 上述研究將對我國高性能超細硬質合金和金剛石的合成及應用產生重要影響。有利于節(jié)約資源及可持續(xù)發(fā)展，有助于縮小我國加工制造業(yè)與先進國家的差距，同時提高我國相關行業(yè)在國際中的地位。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：在較低反應溫度、較短反應時間和簡單制備工藝條件下，合成組成單一、分散均勻的納米過渡金屬碳化物。并將其應用于超細硬質合金，抑制WC晶粒長大，提高合金性能。 基本思路：以納米材料為原料，通過改善反應熱力學及動力學，達到降低成本及節(jié)能之目的。結合先進燒結方式及添加納米碳化物，抑制WC晶粒長大，全面提高硬質合金力學性能。
科學性、先進性及獨特之處
- 首次采用納米級原材料合成納米碳化鉻（釩）粉末，并將其應用于超細硬質合金，顯著降低WC晶粒尺寸，提高超細硬質合金性能，嘗試對其高溫高壓物理特性進行研究，具有較高的創(chuàng)新性、學術價值和應用前景。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 已在成都硬質合金廠等單位得到實際應用，超細硬質合金的性能明顯改善，使用壽命大幅度提高。預計在株洲硬質合金廠、自貢硬質合金廠等國內主要硬質合金生產廠家推廣應用后，將會產生巨大的經濟效益和社會效益。
學術論文摘要
- 以納米三氧化二鉻和納米碳黑為原料，采用碳熱還原法制備納米碳化鉻(Cr3C2)粉末。采用XRD、SEM和TEM等測試手段對反應產物進行表征和分析。結果表明：在碳含量為28wt.% 時，當反應溫度為1100℃、保溫時間為1h時，反應產物為單一的Cr3C2，平均晶粒尺寸為25.6nm；反應產物的顆粒呈球形或類球形，無明顯團聚現(xiàn)象，顆粒尺寸在30nm左右；試樣的表面主要由Cr、C和O三種元素組成，O1s譜圖主要包括三個峰(Oa, Oh和Od)，分別對應于O?、OH?和Cr2O3；C1s譜圖主要包含四個峰(Cf, Cc, Cd和Ce)，分別對應于污染碳、碳化鉻(Cr3C2)，和其它類型的碳化鉻Cr3C2-x(0≤x≤0.5)。Cr2p譜圖主要由Cr2p3/2和Cr2p1/2兩個峰組成。
獲獎情況
- 已被《中國有色金屬學報》錄用，將在近期發(fā)表，本期刊為EI檢索期刊。
鑒定結果
- 有科技查新和國家發(fā)明專利
參考文獻
- 通常，碳化鉻（釩）粉末的制備采用微米級三氧化二鉻（五氧化二釩）與固體碳混合碳化而成，由于原料粉末粒度較粗，造成碳化溫度較高、碳化時間較長，合成的碳化鉻（釩）粉末一般為微米級，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)需求，現(xiàn)代工業(yè)迫切需求納米級碳化鉻（釩）粉末。 現(xiàn)在，國內外學者和專家采取了各種各樣的方法來合成碳化鉻（釩）粉末，并且取得了很大進展，主要包括直接元素反應法、機械合金化法、程序升溫反應法和氣相還原碳化法。 [1] S. Gomari, S. Sharafi. Microstructural characterization of nanocrystalline chromium carbides synthesized by high energy ball milling[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2010, 490 (1-2): 26-30. [2] R. Kapoor, S.T. Oyama. Synthesis of vanadium carbide by temperature programmed reaction[J]. Journal of Solid State Chemistry, 1995, 120 (2): 320-326. [3] Reza Ebrahimi-Kahrizsangi, Hossein Monajati Zadeh, Vahid Nemati. Synthesis of chromium carbide by reduction of chromium oxide with methane[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2010, 28 (3): 412-415. [4] 汪兆泉, 劉廷政. 碳化釩的生產方法[P]. 中國專利, 申請?zhí)? 96115597.3. [5] 顏練武. 超細V8C7和Cr3C2粉末的制備方法[J]. 硬質合金, 2004, 21 (4): 244-248. [6] 吳恩熙, 顏練武, 錢崇梁. 碳化釩粉末的制備方法[P]. 中國專利, 申請?zhí)? 200310101104.3.
同類課題研究水平概述
- 現(xiàn)在，國內外學者和專家采取了各種各樣的方法來合成碳化鉻（釩）粉末，并且取得了很大進展，主要包括直接元素反應法、機械合金化法、程序升溫反應法和氣相還原碳化法。其中，美國Rutger 大學的Sadangi等人利用“噴霧干燥→還原分解→氣相碳化”工藝分別制備了粒度為0.5μm （0.6μm）的V8C7（Cr3C2）粉末。其工藝過程為：首先制備含V（Cr）的前驅體溶液，然后進行噴霧干燥，再將噴霧干燥的粉末進行熱解，將熱解后的產物用CH4/H2 混合氣體進行氣相碳化。美國弗吉尼亞州立大學的Kapoor等人利用CH4/H2混合氣體氣相還原碳化V2O5得到超細V8C7粉末。Cintho等人通過高能球磨鉻粉和石墨粉，隨后在800℃、2h條件下，氬氣氣氛中進行熱處理，最終得到碳化鉻粉末（Cr3C2和 Cr7C3）。但是，這些方法在工業(yè)應用中受到一定限制，主要由于團聚問題、較寬的粒徑分布、較低的產率、復雜的監(jiān)控或昂貴的成本。 我國對碳化鉻（釩）的研制起步較晚，開始只有錦州鐵合金廠用真空法試制過碳化釩，但最近幾年發(fā)展迅速。1998年，汪兆泉等人公開了一種“碳化釩的生產方法”，其特點是采用五氧化二釩為主要原料，采用碳作還原劑，按照一定的比例混合，在真空感應爐內進行完全碳化反應。2003年，吳恩熙等人公開了一種“碳化釩粉末的制備方法”，其特征是：首先將V2O5溶解于有機酸溶液中，經噴霧干燥→500~600℃焙燒→碳化等工藝，最終制得粉末平均粒度為0.1μm的超細碳化釩粉末。2006年，郝俊杰等人提供了“一種納米碳化鉻粉末的制備方法”，該方法以重鉻酸銨、水合肼、納米炭黑、酚醛樹脂為原料，制備工藝為：合成非晶納米Cr2O3→配制酚醛樹脂乙醇溶液→球磨（2-8h）→干燥（1-2h）→真空碳化→球磨（2-8h）→干燥→過篩→產品。這些方法具有較高的創(chuàng)新性，并且合成的粉末達到了納米級，但是這些方法通常較復雜，浪費能源，生產成本較高，不利于工業(yè)化生產。 上述的制備方法具有許多優(yōu)點（如在較低的反應溫度、較短反應時間獲得較小的顆粒尺寸），但是也存在一些缺陷，主要表現(xiàn)在工藝較復雜，能耗較大，生產成本較高，不利于工業(yè)化生產等。有些制備方法雖然工藝較簡單，但制得的碳化鉻粉末存在粒度偏大，團聚現(xiàn)象嚴重的缺陷，仍然不能滿足碳化鉻粉末在現(xiàn)代化工業(yè)生產中的應用
