[发明专利]一种纳米二硼化钛片层粉体的高压熔盐可控制备方法

说明书

本发明的一种纳米二硼化钛片层粉体的高压熔盐可控制备方法，属于高温高压合成纳米材料的技术领域。以粒径尺寸为微米级别的钛粉和硼粉作为原料，在原料中加入助溶剂氯化钠，对混合好的原料在兆帕级别的压力下粉压成型，然后在5GPa，1600℃范围内进行高温高压合成，保温保压45min‑1h，之后冷却卸压，得到纳米粒径的二硼化钛。本发明利用高温高压结合盐溶法，实现了高温高压下纳米粉体二硼化钛的制备，阐明了高温高压下制备纳米二硼化钛的关键技术条件。对进一步开发高温高压下纳米材料具有重要的科学意义和应用前景。

技术领域

本发明属于高温高压合成纳米材料的技术领域。主要涉及高温高压下纳米粉体二硼化钛的制备。

背景技术

二硼化钛是一类高硬度、优异导电性的硬质功能材料，并且由于具备较低密度，在航空航天、军工、机械加工等领域广泛使用。然而目前制备的二硼化钛粉体或块体材料的晶粒尺寸大都在微米尺度，纳米尺度的粉体二硼化钛报道较少，限制了其在机械精加工或精密磨抛等方面的应用。二硼化钛是以六角密排的金属层和类硼烯层组成的层状材料，这也导致大部分纳米二硼化钛为片层形貌。此类纳米片层形貌，降低了c轴方向的层数，减少了层间滑移的几率，在力学性质上得到了提升。同时，片层形貌保留了层中的硼硼强化学键，以及电子在层内的高迁移率，相对于微米尺度的二硼化钛，纳米片层形貌整体上具备更优异的力学和电学性能。因此，纳米片层二硼化钛具备更高的科学意义和实用价值。

目前，纳米二硼化钛报道较少的原因在于，硼和钛均具备较高的熔点，利用常规合成方法制备二硼化钛，需要较高的温度，而高温往往会促使晶粒长大，难以制备纳米尺度的二硼化钛。同时，部分合成方法容易形成杂质难以去除，导致二硼化钛纯度降低。例如，利用自蔓延法制备的二硼化钛，其合成温度达到2000℃以上，虽然能和合成出部分纳米二硼化钛，但是此方法可控性不强，粒径分布不均匀；利用金属镁热/硅热还原法制备的二硼化钛，容易形成氧化镁/氧化硅杂质，导致后续除杂工艺复杂。探寻纯度高的单一相二硼化钛纳米粉体制备方法具有重要意义。

在众多合成方法中，高温高压是制备二硼化钛的有效手段，也是制备高压下存在的特殊材料的必备手段，即一些特殊的材料只有在高压条件下才能生成。然而目前未见有利用高温高压制备纳米二硼化钛以及其他材料的报道。若能探究出高温高压下纳米材料的生长机制，以及技术方法，则对于有高压限制的特种材料的纳米化具有重要意义。然而，根据热力学，虽然提高合成压力可以降低成核能，实现大量成核，有助于纳米材料的制备，但是高压同样可以提高晶体的生长速率，从而导致短时间内晶粒长大；另一方面，适合的温度可以获得高的成核速率，可是过低的温度会使晶核尺寸小于临界晶核半径而无法成核，过高的温度则会降低成核速率并导致晶体长大。常规高温高压制备的多为块体材料，粉体材料较少。根据之前的报道，高温高压的高能量确实容易会促进二硼化钛晶粒的生长，在短时间内(几分钟)，二硼化钛就会长到亚微米级别。因此，利用高温高压方法开展纳米粉体材料的制备更是一项挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在高温高压实验条件下，促进晶体成核，同时抑制晶粒长大，最终实现纳米粉体材料的制备。通过调整助溶剂的比例含量，再结合高压下的温度调控，探索高温高压下小尺寸纳米粉体材料的制备工艺条件。该方法利用高压有效促进了成核，高温跨越了二硼化钛的形成能，助溶剂实现了晶粒间阻隔的效果，最终获得了纳米尺度的二硼化钛粉体材料。本发明对开发高温高压下制备的新型纳米粉体材料提供了前期基础。

本发明的具体技术方案如下所述。

一种纳米二硼化钛片层粉体的高压熔盐可控制备方法，其步骤为：以粒径尺寸为微米级别的钛粉和硼粉作为原料，在原料中加入助溶剂氯化钠，对混合好的原料在兆帕级别的压力下粉压成型，然后在5GPa，1600℃范围内进行高温高压合成，保温保压45min-1h，之后冷却卸压，得到纳米粒径的二硼化钛。

本发明所述的在兆帕级别的压力下粉压成型，具体是将粉末样品置于内径为4mm的磨具中，利用压片机在1MPa的压力下，常温压制成高度为2mm，直径为4mm的圆柱。