[发明专利]一种溶胶凝胶法制备纳米碳化钒

说明书

技术领域

本发明属于高温结构陶瓷粉体材料制备领域，具体涉及到以一种溶胶凝胶法制备VC陶瓷纳米粉体的制备方法。

背景技术

VC是过渡金属碳化物中最重要的功能结构材料之一，具有一系列优异的性能，如高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱、耐磨损以及良好的导电、导热性等，常用来制备VC基硬质合金或用VC作增强相的高强度、高导电性的金属基复合材料。广泛应用于金属陶瓷、机械加工，冶金矿产，航天航空，微电子，催化等领域。

目前，制备VC的主要方法有：1)单质碳与钒金属在真空条件下直接反应法。该方法制备碳化钒时，所需温度较高，反应时间过长。2)机械合金法。该法能耗较大，所需反应时间长，产物粒径较大，且分布不均匀。3)碳热还原反应法。以无机碳粉与偏钒酸铵或五氧化二钒等钒氧化物为原料，通过碳热还原反应制备碳化钒，该方法采用机械球磨混料，需要反应温度高，反应时间较长，粉体团聚较严重，粒径分布较难控制，晶格内含氧量较高，难以获得单相VC材料等。4)气相还原反应法。该方法用甲烷等气态还原剂与钒氧化物反应，制备碳化钒，操作复杂，难以控制。5)化学气相沉积法等。

在众多制备方法中，V₂O₅碳热还原反应法具有原料丰富，工艺简单，成本较低等优点而得到了广泛的应用，最新文献也较多地报道了该方法的一些发展或是对该方法的改进。大量的文献显示，研究人员以碳热还原反应为制备机理，尝试使用新的廉价的碳源，采用新的混合方式(气态裂解包覆等)制备碳化钒。由于新的碳源的引入，原料之间的混合方式发生了巨大转变，促使前驱体中钒源与碳源之间的接触面积显著提高，从而大幅降低碳热还原反应实际进行的温度。例如：Zhiwei Zhao，Ying Liu等人(Powder Technology 181(2008)31-35)把偏钒酸铵与纳米碳黑倒入去离子水中混合均匀，干燥制得的复合物为原料，在真空或氩气的保护下，通过碳热还原反应制备V₈C₇；Zhiwei Zhao，Ying Liu等人(Journal of Alloys and Compounds468(2009)58-63)以偏钒酸铵，C₆H₁₂O₆和尿素为原料，通过去离子水混合均匀，150℃干燥2h制得的复合物为原料，经过热处理制得V₈C₇，可以把反应温度降低至1000℃。

目前，研究较多的，基于碳热还原反应，制备VC的方法主要有以下两种：1.先驱体法，通过溶液混合方式使碳源与钒源充分混合，加热蒸发溶液，获得固相先驱体；2.气态碳氢化合物裂解包碳法，通过气态碳氢化合物分子的裂解包碳来提供碳源。以上两种方法都不同程度的存在缺陷，例如：先驱体法，反应物未能实现分子级别混合，产物纯度较低，不易得到整比产物；气态烷烃裂解包碳法，先驱体不能实现纳米V₂O₅粒子在单分散状态下包碳，所制备的VC晶粒偏大、设备要求高、耗能大、产物纯度较低等，因此也就限制了这两种方法在工业上的应用。

本发明的目的是为了克服上述先驱体法和气态烷烃裂解包碳法在碳热还原制备纳米碳化钒时所存在的缺陷，提供一种新的有机碳源和新的混合包覆法制备纳米VC粉体的方法。

本发明的基本构思是：以蔗糖为碳源，偏钒酸铵为钒源，通过溶胶凝胶法从而实现碳源与钛源的分子级接触，进而大幅度地降低碳热还原反应进行的温度，制得整比的纳米VC粉体。

发明内容

本发明提供了一种利用溶胶凝胶法制备先驱体，经后续不同路径的热处理制得纳米VC粉体的新方法与新的技术路线。

具体来讲本发明以蔗糖为碳源，偏钒酸铵为钒源，把偏钒酸铵加热至至800℃，保温约30min，烧成熔体，迅速倒入高速搅拌的蔗糖溶液，加氨水调pH7-8，形成溶胶，搅拌、陈化，得到凝胶；干燥得到先驱体粉体，此先驱体粉体再经后续热处理实现有机碳的充分的无机化转变与碳热还原反应，最终制备得到纳米VC粉体。

其具体工序步骤如下：

(1)备料：偏钒酸铵与蔗糖的摩尔比4∶7，每10g偏钒酸铵用51.2g蔗糖，其中，偏钒酸铵做为钒源，蔗糖做为碳源；

(2)先驱体制备：由51.2g蔗糖加入到150～200ml蒸馏水中，并用高速搅拌机搅拌，配成蔗糖溶液；把10g固体偏钒酸铵置于刚玉坩埚内，加热至800℃，保温约30min，烧成熔体，迅速倒入高速搅拌的蔗糖溶液，加氨水调pH7-8，形成溶胶，搅拌、陈化，得到凝胶；