纳米TiO_2碳热氮化制备纳米晶Ti(C_(0.7),N_(0.3))固溶体

在封闭系统中,对纳米TiO2碳热还原氮化反应合成纳米晶Ti(C,N)固溶体粉末进行研究。结果表明,当以C/Ti值为2.7配料,氮气压力为0.005 MPa时,一定量纳米TiO2/纳米碳黑混合料在1600℃下保温4 h,可以合成晶粒尺寸为32 nm的球形Ti(C0.7,N0.3)固溶体粉末。

生物形态多孔氮化钛陶瓷的碳热氮化法制备

研究了以生物模板(木炭)浸渍TiO2溶胶,高温碳热-氮化制备TiN陶瓷的工艺过程。应用热力学原理计算了经溶胶浸渍后形成的TiO2／C复合体系的氮化条件,确定了N2,CO分压对氮化温度的影响。采用碳热氮化法,在高浓度的氮气压力下反应烧结制备了具有生物形貌的多孔TiN／C陶瓷。结果表明:在1400℃,4 h,0．5 MPa氮气压力下,得到了具有立方晶体结构的TiN／C多孔陶瓷,并保留了木材模板的显微结构。

高品级氮化铝粉体及其碳热还原氮化工艺研究进展

氮化铝(AlN)具有高导热、绝缘、低膨胀、无磁等优异性能,是半导体、电真空等领域高端装备的关键材料,特别是在航空航天、轨道交通、新能源装备、高功率LED、5G通讯、电力传输、工业控制等领域功率器件中具有不可取代的作用。高品级粉体是制备高性能陶瓷的基础,氮化铝粉体的性质直接影响了后续成形、烧结等工艺以及材料的组织和性能。碳热还原氮化法制备氮化铝粉体具有纯度高、粒度细和烧结性好等特点,本文综述了氮化铝粉末的评价指标以及碳热还原氮化法制备氮化铝粉末的研究进展,提出未来研究与产业化的方向与趋势。

碳热还原氮化硅藻土制备Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体

氧氮化硅(Si_(2)N_(2)O)是性能优良的耐火材料和高温结构材料,具有优异的抗蠕变性、耐腐蚀性和抗氧化性等优点。本工作利用硅藻土作为硅源,乙炔炭黑作为还原剂,通过碳热还原氮化法在硅藻土表面原位合成Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体。采用X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)和N_(2)吸附/脱附等温线对样品进行表征。结果表明,在原料配比m(硅藻土)∶m(乙炔炭黑)=1∶1条件下,1 450℃煅烧4 h后,SiO_(2)完全转变成Si_(2)N_(2)O和β-SiC物相,样品整体呈球状形貌,大颗粒周围分布大量片层状小颗粒,并存在介孔结构。Si_(2)N_(2)O/SiC复合粉体作为性能优良的高温结构材料,有望在结构复合材料中得到广泛的应用。

内凝胶工艺结合碳热氮化法制备ZrN纳米粉体

采用内凝胶工艺制得无定形的氧化锆凝胶与炭黑均匀混合的前驱体粉末,获得的前驱体在氮气条件下进行碳热氮化处理后得到氮化锆(ZrN)纳米粉体。结合热重/差式扫描量热分析(TGA/DSC)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等手段,对内凝胶前驱体的热处理行为、所得产物的物相组成、微观形貌及显微结构等进行了表征。研究结果表明,氮化温度的升高有利于氮化程度的提高,1400℃氮化温度下可得到纯相纳米ZrN粉体;此外,碳的引入在热处理过程中起到了必要的还原作用,且碳的加入量需要适当,C/Zr摩尔比接近2是获得纯相ZrN粉体产物较为合适的条件。

碳热还原氮化工艺制备AlON透明陶瓷

以γ-Al2O3为原料,炭黑(C)为还原剂,通过碳热还原氮化(carbothermal reduction and nitridation,CTRN)工艺合成了氮氧化铝(AlON)粉体,并通过气压烧结工艺制备了AlON透明陶瓷.借助X射线衍射分析研究了反应温度、保温时间及碳用量对CTRN反应产物相组成的影响,借助电子探针研究了AlON透明陶瓷的微观结构.研究结果表明:该反应主要受热力学控制,动力学因素也具有重要作用,反应温度和保温时间对AlON粉体的合成均具有重要影响.在1300℃时,开始发生CTRN反应;随着反应温度的升高,AlN的生成量逐渐增加;在1650℃时,开始形成AlON;在1700℃时,AlON的CTRN合成反应基本完成,产物中除含有极少量的AlN外,其余均为AlON相;进一步提高反应温度至1750℃,产物中残余AlN的量有所减少,但不能完全消除.采用CTRN工艺制备的粉体为原料,经1950℃高温气氛反应6h可制备出AlON透明陶瓷,材料微观结构致密、均匀,平均晶粒尺寸约50μm。

开放体系下碳热还原法制备碳氮化钛粉末的研究

在开放体系下,采用碳热还原氮化的方法制备出了碳氮化钛粉末。结合TG、DSC、XRD、SEM等分析测试手段对开放体系下TiO2的碳热还原氮化的反应过程,以及该过程中的物相演变进行了研究。结果表明,随着温度的升高,反应过程中的物相演变遵循TiO2(anatase)→TiO2(rutile)→Ti4O7→Ti3O5→Ti(N,O)→Ti(C,N,O)→Ti(C,N)的顺序;1355℃时,对应着中间氧化物Ti3O5向立方相Ti(C,N,O)的转变,该过程在整个反应进程中转化速度最快;当m(Ti)∶m(C)=1∶2.7,氮气流量为500ml/min,1600℃下保温3h的情况下,可获得晶粒大小为40.9nm的TiC0.704N0.296粉末。

碳热还原氮化高岭土合成Sialon粉末

以高岭土为原料，ＣａＦ２和Ｎａ２ＣＯ３为添加剂，在１４００℃保温４ｈ，通过碳热还原氮化法合成了β′Ｓｉａｌｏｎ粉末。ＸＲＤ、ＳＥＭ、ＸＰＳ等测试手段对合成产物的测试结果表明：控制适当的Ｃ含量不仅可以合成质量较好的β′Ｓｉａｌｏｎ（Ｚ＝３），而且可以避免产物中生成ＦｅＳｉｘ。详细地讨论了ＣａＦ２和Ｎａ２ＣＯ３添加剂及其它工艺因素对合成Ｓｉａｌｏｎ的影响与作用，并探讨了β′Ｓｉａｌｏｎ的形成过程。

碳热还原氮化法制备β-Sialon粉体的研究

采用山西大同土为主要原料,利用碳热还原氮化法(CRN)制备了β-Sialon材料,并利用SEM、XRD等检测手段对其进行了检测分析。研究了温度、N2流量、保温时间以及配碳量等因素对制备β-Sialon的影响,采用正交设计的方法确定了反应的最佳工艺参数,并在此基础上讨论了α-Si3N4晶种对生成产物的影响。实验结果表明,烧结温度为1500℃,氮气流量为1 L/min,保温时间为2 h,配碳量为0.8化学计量时可以生成较多的β-Sialon相。SEM微观形貌表明具有一定长径比的β-Sialon柱状晶呈均匀分布。此外,加入3%的晶种α-Si3N4可促使晶粒大小均匀并获得高品质细密结构的粉体。

碳热还原氮化合成TiN的研究

以锐钛矿(中位径0.38μm)、金红石(中位径4.58μm)和鳞片石墨(粒度<0.15mm)、炭黑(平均粒度0.02μm)、可膨胀石墨(粒度<0.15mm)为原料,固定配比nC∶nTiO2为5∶1时分别组成不同的原料组合,并以锐钛矿和鳞片石墨为原料,改变配比nC∶nTiO2分别为3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1和8∶1进行配料,在管式电炉、流动N2中分别于1300℃和1400℃制备了TiN,并进行了合成产物的氧化脱碳试验;采用XRD测定TiN的特征峰(d200=0.212nm)强度,以表征TiN的合成率,研究了原料粒度、反应物活性、反应温度等因素对TiN合成率的影响。结果表明:选用粒度较细或晶格活性大的原料,提高反应温度,均有利于提高TiN粉末的合成率;合成TiN粉末的最佳原料组合是可膨胀石墨和锐钛矿;以鳞片石墨和锐钛矿为原料时,其配比为nC∶nTiO2=6∶1时TiN合成率最高;合成产物中均含有一定量的碳,采用普通的加热氧化法不能除碳,其原因是TiN的氧化温度低于石墨的。

碳热还原氮化法合成O′-Sialon粉

以纳米SiO2 ,Al(OH) 3 和碳黑为原料 ,在 14 0 0℃N2 气氛下采用碳热还原氮化法合成出O′ Sialon粉。绘出了 14 0 0℃时体系的优势区域图 ,用XRD分析法测定了产物相组成及相对含量 ,用TEM观察了产物的形貌 ,并用EDX分析法测定了产物中O′ Sialon的Si和Al摩尔比。在此基础上 ,研究了保温时间和添加剂含量对合成过程的影响 ,对合成过程机理进行了探讨。结果表明 :保温 7h ,含 3%添加剂的试样中O′ Sialon含量最高 ,达70 %左右 ,O′ Sialon中z值基本达到 0 .3。添加剂含量的增加有利于Al2 O3 向O′ Sialon中固溶。SiO是碳热还原氮化过程的中间产物 ,SiO的挥发导致体系较大的质量损失和Al2 O3 的残存。保温时间超过 8h ,体系气氛的改变使O′ Sialon分解转化为 β′

碳热还原氮化法制备AlN超细粉体新工艺

为降低碳热还原氮化法制备AlN粉体的反应温度,减小粉体粒径、缩短反应时间,以勃母石(-γAlOOH)为铝源、蔗糖为碳源,采用碳热还原氮化法在不同温度下制备了AlN超细粉体,用XRD、TEM等方法分析了所制备粉体的物相组成与形貌。结果表明:在1 480℃、流通氮气氛中保温1 h可制备出平均粒径为350 nm的AlN粉体,大幅度降低了反应温度,缩短了反应时间;在高温下,-γAlOOH分解成Al2O3,部分Al2O3被碳还原成气态铝和铝的低价氧化物(Al2O,AlO),它们与氮气直接反应生成AlN和中间相AlON,随后中间相AlON也发生反应生成AlN。

几种碳源对碳热还原氮化法制备Ti(C,N)粉末的影响

以纳米TiO2和不同碳源为原料,采用碳热还原氮化法,制备了Ti(C,N)粉末。通过X射线衍射分析、热分析、扫描电镜、化学成分分析等手段研究了TiO2碳热还原氮化过程的反应机理和不同碳源对制备碳氮化钛粉末的影响。结果表明,在TiO2碳热还原氮化过程中,前期主要为TiO2/C固-固反应,后期CO参与的气-固反应变为主要反应;当碳黑为碳源时,比之活性碳和石墨,反应最为完全,而且粉末产物粒度较为细小均匀;同时随着碳黑比表面积的增大,碳氮比随之降低,游离碳和氧含量随之减小;当以比表面积为600m2/g的碳黑为碳源时,配碳量为28.8%的混合物在加热到1700℃,保温3h,氮气流量为1000mL/min的条件下,得到了游离碳含量<0.2%、氧含量<0.5%,总碳为11.42%的碳氮化钛粉末。

几种典型煤气化炉渣的碳热还原氮化过程

煤气化炉渣是煤炭气化过程产生的固体废弃物。选取5种煤气化炉渣作为研究对象,在分析其化学和显微结构后,将炉渣分别在1 350-1 500℃进行碳热还原氮化,并对氮化产物的物相组成和显微结构进行表征。结果表明：①5种无定性炉渣的化学结构均可描述为Si O4四面体与AlO4四面体相互连接的架状结构;②炉渣中的玻璃相呈规则球体状,无定性碳呈多孔海绵、长带或长片状;③ 5种炉渣经碳热还原氮化反应均可合成出Ca-α-Si Al ON粉体,且Ca-α-Si Al ON的形成过程一致;④炉渣氮化产物中杂质相的产生与炉渣的化学组成中Ca O,Si O2,Al2O3和C的相对含量密切相关;⑤在氮化过程中,炉渣中玻璃球体发生表面粗糙、多孔、空心等形态的变化,这些变化在一定程度上反映出炉渣的氮化进程。

碳热还原氮化高钛渣合成TiN/β′-Sialon导电陶瓷粉体

以高钛渣、高铝矾土熟料、硅灰和炭黑为原料,采用碳热还原氮化法合成TiN/β′-Sialon导电陶瓷粉体.利用XRD,SEM和EDS检测手段研究了合成温度、恒温时间对反应过程的影响,并探讨了合成机理.结果表明:合成温度、恒温时间对反应过程影响显著.1 400℃恒温2 h时,β′-Sialon含量达最大,是最佳的工艺参数.此时β-′Sialon晶粒多呈长柱状,TiN为细小粒状.合成过程中SiO的挥发导致试样较大的质量损失,且随合成温度升高和恒温时间延长而增大.

粉煤灰的化学组成对其碳热还原氮化产物相组成和显微结构的影响

将粉煤灰和炭黑按n(Al2O3)∶n(C)=1∶5配料,经球磨混合、造粒后,在10MPa下压制成36mm×10mm的试样,经110℃干燥12h,在高温可控气氛炉内于1350℃流动氮气(流量400mL.min-1)中保温9h进行碳热还原氮化反应,然后对氮化产物进行XRD、SEM和EDAX分析。结果表明:粉煤灰与炭黑混合物的氮化产物是以β-SiAlON为主晶相的粉末,粉煤灰中m(SiO2)/m(Al2O3)比值越高且越接近合成β-SiAlON的理论比值,氮化产物中β-SiAlON和15R的含量就越高,铝的其他化合物的含量就越低;氮化产物中的棒状β-SiA-lON和15R清晰可见且交错分布,球状FeSi合金相弥散分布于其中。

基于非水解sol-gel法的碳热还原氮化合成氮化铝超细粉体

以无水氯化铝和异丙醚为原料,采用非水解溶胶-凝胶法制备出氧化铝凝胶。其经800℃煅烧才析出少量γ-Al2O3晶体,γ-Al2O3向α-Al2O3晶型转变在1200℃附近,经900℃煅烧后比表面积仍高达145m2/g,具有介孔结构。以该高活性氧化铝凝胶作为铝源,采用碳热还原氮化工艺合成氮化铝粉体。结果表明,氧化铝凝胶经300℃预煅烧,按n(C)/n(Al)=7.8与碳黑混合,在流量80mL/min高纯N2中,于1450℃还原氮化2h便可合成出平均粒径在400nm的高纯六方相AlN粉体。

碳热还原氮化粉煤灰的研究

以粉煤灰加入炭黑为主要原料,在氮气气氛下对粉煤灰进行了碳热还原氮化研究。研究了碳加入量、合成反应温度、保温时间和Fe2O3含量等因素对生成物物相的影响。实验结果表明:选用理论加入碳含量的样品,在反应温度为1350℃、保温9h条件下,产物中含有较多β-Sialon相;而且经磁选除铁后的粉煤灰较未除铁粉煤灰在反应温度为1400℃、保温9h条件下,碳化还原氮化产物中15R相含量明显增多。

碳热还原氮化法制备β’-SiAlON的工艺条件研究

采用质量分数80%的粘土(广西高岭土或吉林球粘土)和20%的炭黑为原料,以白云石、CaO、TiO2为烧结助剂,经碳热还原氮化反应制备了β’-SiAlON材料。研究了烧成温度、保温时间、烧结助剂、成型压力和粘土种类等因素对制备β’-SiAlON材料的影响。结果表明,烧成温度以1450℃为宜,延长保温时间有利于β’-SiAlON相的形成;烧结助剂的催化效果以TiO2最好,白云石次之;随着成型压力的增大,合成试样中β’-SiAlON相减少;粘土原料的化学组成(m(SiO2)/m(Al2O3))对β’-SiAlON的Z值产生影响,m(SiO2)/m(Al2O3)减小时,Z值趋于增大。

碳热还原氮化攀钢高钛高炉渣制取Ti(C,N)的研究

以攀钢高炉渣(粒度≤0.074mm,w(TiO2)=21.19%)和炭黑(w(C)=98%)为原料,在密封管式炉中通入流量0.5L·min-1的工业N2(纯度>95%),分别在1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃保温2h以及在1450℃下分别保温0、2h、4h、6h、8h的条件下,采用碳热还原氮化法制备了Ti(C,N)。用X射线衍射仪、电子探针、图像分析仪等研究了碳氮化处理温度及保温时间对Ti(C,N)的形成及其晶粒大小的影响。结果表明碳氮化处理温度对高炉渣中Ti(C,N)的形成过程产生显著影响,温度从1300℃升至1500℃时,产物中Ti(C,N)的相对含量增大,其晶粒也逐渐长大,但超过1450℃后,影响又不太显著;在1450℃下延长保温时间能促进Ti(C,N)的生成与晶粒长大,但保温时间超过2h后,此促进作用又不太明显。