[发明专利]一种固相反应合成碳化物纳米粉体的方法

说明书

技术领域

本发明属于过渡金属碳化物及碳化硅纳米粉体的制备领域，尤其涉及一种利用固相反应低温合成碳化硅和过渡金属碳化物的方法。

背景技术

碳化硅和过渡金属碳化物一般具有非常高的强度和韧性，可广泛用于陶瓷、金属及聚合物基体复合材料的增强剂(参见Appl.Phys.Lett.1995，66，3182.)。3C-SiC是宽禁带半导体(2.3eV)，本身具有工作温度高(可达600℃)、电阻小、导热性好、p-n结耐压高等优点，是一种潜在的微波吸收材料。它也是重要的新型半导体器件材料之一(参见J.Alloys Comp.2009，475，506-509.)。而碳化钨，碳化钼等碳化物，是良好的催化剂，可在一定领域替代贵金属。由于其超硬性能，碳化钨钻头通常用于地质钻探。过渡金属碳化物的还具有导电性好的优点，例如碳化铌，碳化钼是超导体。因而碳化硅和过渡金属碳化物是一类技术领域相当重要的无机碳化物材料。

通常来说，碳化硅和过渡金属碳化物一般通过高温(＞1000℃)反应制得：如化学气相沉积法，碳热还原法，溶胶凝胶法，自蔓延法等。最近本申请的发明人利用高温反应釜发展了一系列低温手段合成碳化硅和过渡金属碳化物的纳米粉体的路线。以SiC为例：利用SiCl₄，C₂H₅OH和Li在600℃下合成了3C-SiC纳米带(参见J.Phys.Chem.B.2004，108，20102)，利用SiCl₄，CCl₄和Na在400℃合成了3C-SiC纳米线(参见Appl.Phys.Lett.1999，75，507)，利用SiO₂，C₂H₅OH和Mg在200℃合成了3C-SiC纳米晶(参见J Alloy Compd 2009，484，341)。利用硅粉，四氯乙烯，硫，金属钠在130℃下合成3C-SiC纳米线(参见Eur.J.Inorg.Chem.2008，3883)。利用天然碳源如稻壳等制备3C-SiC可以很大程度上降低生产成本，但目前利用特殊处理过的稻壳制备碳化硅材料需要加热至2000℃(参见J.Am.Ceram.Soc.Bull.，1975，54，195；US patent，3754076.1973)。在Na和S存在的情况下，使用硅粉和四氯乙烯分别作为碳源低温合成了SiC纳米线(参见中国专利文件CN200710113440.8)，使用废塑料和Si粉别作为硅源和碳源，在较低温度下合成了SiC纳米粉体(参见中国专利文件CN200910020098.6)。但硫钠体系合成需要注意，酸处理产生的H₂S气体造成的污染。葡萄糖是自然界分布最广泛的单糖，硅藻土是自然界广泛存在的矿物，因而在温和温度下利用自然界广泛存在的碳源和硅源或过渡金属源来规模制备结晶程度良好的碳化硅及过渡金属碳化物纳米粉体，对有效提升碳化物陶瓷的性能及其相关复合材料，降低其生产成本，以及扩大其应用都具有特别重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种固相反应合成碳化物纳米粉体的方法，包括合成过渡金属碳化物及碳化硅的方法。

本发明的技术方案如下：

一种碳化物纳米粉体的制备方法，包括步骤如下：

将硅源或金属源、碳源、Mg粉和碘单质按照摩尔比1∶(0.05～2)∶(1～25)∶(1.25～12)混合，密封在高压釜中，将高压釜放置在干燥箱中，于100℃～500℃条件下反应6～48小时；产物经洗涤、分离、干燥后处理，得碳化物纳米粉体。

本发明所述的碳化物是WC，NbC，MoC，VC，TiC，ZrC和SiC。

所述硅源选自下列之一：硅藻土，石英砂，SiO₂粉末或单质硅粉。

所述过渡金属源选自下列之一：

a.W、Nb、Mo、V、Ti或Zr金属粉末；

b.WO₃、MoO₃、V₂O₅、Nb₂O₅、TiO₂或ZrO₂(氧化物)；

c.无水钨酸钠。

所述碳源选自葡萄糖或麦芽糖。

上述碳化物纳米粉体的制备方法，优选的实现方式是，将硅源或者过渡金属源、碳源、Mg粉和碘单质按照摩尔比1∶(0.07～2)∶(3～20)∶(1.25～10)混合，密封在高压釜中，于120-500℃反应1～40小时。