一种ZrC-TiC复合纳米颗粒材料的制备方法
文献发布时间:2023-06-19 12:18:04
技术领域
本发明属于高温陶瓷材料技术领域,涉及一种ZrC-TiC复合纳米颗粒材料的制备方法。
背景技术
碳化锆/碳化钛(ZrC/TiC)复合陶瓷具有高熔点、高热导率、高电导率、高比强度、高比模量、高硬度、高耐磨性以及良好的化学稳定性,因此在超高温结构材料领域有着很广泛的运用:超高温隔热涂层、高温耐火、耐磨材料等。该前驱体制备的首选方法是有机合成法,但是该方法存在着原料花费高,制备工艺复杂,前驱体毒性过大,产物不易存储等缺点。因而研究制备工艺简单,生产过程无污染,产物无毒无害且成本低的ZrC/TiC陶瓷前驱体具有非常重要的战略意义和紧迫的实际价值。
而目前,中国专利CN104671815A公开了一种ZrC-TiC改性C/C-SiC复合材料及其制备方法;主要通过化学气相渗透法制得低密度C/C复合材料,再将Si、Zr、Ti混合粉末融化并通过毛细作用渗入C/C复合材料内部,通过高温原位反应在孔隙中形成陶瓷相,最终获得ZrC-TiC改性C/C-SiC复合材料。
中国专利CN103985842B公开了一种ZrC-TiC/SiC双层复相陶瓷涂层的制备方法;首先配制出含Ti粉的浆料,然后将该浆料涂覆在炭基体上得到预制涂层,再采用包含Zr粉和Si粉的混合粉料,在形成预制涂层的基体上通过加热蒸镀并反应,得到ZrC-TiC/SiC双层复相陶瓷涂层。
然而无论是哪种碳化物复合材料,都选择的是金属粉体得到浆料,对于材料纳米尺度的均匀混合很难实现,能否突破现有的混合制备复合材料的方式,同时获得特定形貌的纳米颗粒,成为了高温碳化物复合材料制备技术进一步发展的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种ZrC-TiC复合纳米颗粒材料的制备方法,解决现有方法生产过程中存在污染,产物存在毒性以及采用金属粉体作为浆料难以混合均匀的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种ZrC-TiC复合纳米颗粒材料的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1,将ZrOCl
步骤2,将酒石酸与水混合,搅拌溶解后得到无色透明溶液C;
步骤3,将步骤2得到的无色透明溶液C全部加入至步骤1得到的无色透明溶液B中,搅拌混合均匀后得到无色透明溶液D;
步骤4,将步骤3得到的无色透明溶液D进行旋蒸,旋蒸后无色透明溶液D呈现黄色,当剩余1/3的液体出现挂壁状态,停止旋蒸,将剩余液体置于烘箱中进行干燥,得到黑色ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物;
步骤5,将步骤4得到的ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物置于高温烧结炉中,通入惰性气体进行烧结,然后随炉冷却至室温,得到八面体与多面体的ZrC/TiC纳米颗粒。
本发明的特征还在于,
步骤1中,ZrOCl
步骤2中,酒石酸与水的质量比为0.75~1.5:5~10。
步骤3中,搅拌时间为30min。
步骤4中,旋蒸的压力为72~78mbar,水浴温度为45~52℃,循环冷却温度为5~10℃,旋蒸时间为2~3h。
步骤4中,干燥温度为60℃,干燥时间为2~3天。
步骤5中,烧结温度为1400~1500℃,时间为2h,升温速率为2~5℃/min。
步骤5中,惰性气体为Ar气。
本发明的有益效果是,本发明一种ZrC-TiC复合纳米颗粒材料的制备方法,通过旋蒸法制备的ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物,再经过烧结得到八面体与多面体的ZrC/TiC纳米颗粒,生产工艺过程简单、成本较低、无污染、产物无毒性且易于混合均匀,符合大规模工业化生产的要求,是用于高温材料领域金属有机前驱体的优异选择。
附图说明
图1是利用本发明的一种ZrC-TiC纳米颗粒材料的制备方法施例1制备得到的ZrC/TiC纳米复合颗粒的X射线衍射图谱;
图2是利用本发明的一种ZrC-TiC纳米颗粒材料的制备方法施例1制备得到的八面体与多面体ZrC/TiC纳米颗粒的扫描电镜显微图;
图3是利用本发明的一种ZrC-TiC纳米颗粒材料的制备方法施例1制备得到的ZrC/TiC纳米颗粒的TEM图;
图4是图3中A处的包覆界面高分辨图;
图5是本发明的一种ZrC-TiC纳米颗粒材料的制备方法施例1制备得到的ZrC颗粒的衍射花样;
图6是本发明的一种ZrC-TiC纳米颗粒材料的制备方法施例1制备得到的TiC颗粒的衍射花样。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种ZrC-TiC复合纳米颗粒材料的制备方法,具体按照以下步骤实施:
步骤1,将ZrOCl
其中,ZrOCl
步骤2,将酒石酸与水混合,搅拌溶解后得到无色透明溶液C;
其中,酒石酸与水的质量比为0.75~1.5:5~10;ZrOCl
步骤3,将步骤2得到的无色透明溶液C加入至步骤1得到的无色透明溶液B中,搅拌30min混合均匀后得到无色透明溶液D;
步骤4,将步骤3得到的无色透明溶液D进行旋蒸,旋蒸的压力为72~78mbar,水浴温度为45~52℃,循环冷却温度为5~10℃,旋蒸时间为2~3h,旋蒸后无色透明溶液D呈现黄色,当剩余1/3的液体出现挂壁状态,停止旋蒸,将剩余液体置于烘箱中进行干燥,干燥温度为60℃,干燥时间为2~3天,得到黑色ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物;
步骤5,将步骤4得到的ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物置于高温烧结炉中,通入惰性气体(Ar)进行烧结,烧结温度为1400~1500℃,时间为2h,升温速率为2~5℃/min,然后随炉冷却至室温,得到八面体与多面体的ZrC/TiC纳米颗粒。
实施例1
步骤1,将13gZrOCl
步骤2,将1.5g酒石酸与10g水混合,搅拌溶解后得到无色透明溶液C;
步骤3,将步骤2得到的无色透明溶液C加入至步骤1得到的无色透明溶液B中,搅拌30min混合均匀后得到无色透明溶液D;
步骤4,将步骤3得到的无色透明溶液D进行旋蒸,旋蒸的压力为78mbar,水浴温度为45℃,循环冷却温度为5℃,旋蒸时间为2h,旋蒸后无色透明溶液D呈现黄色,当剩余1/3的液体出现挂壁状态,停止旋蒸,将剩余液体置于烘箱中进行干燥,干燥温度为60℃,干燥时间为3天,得到黑色ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物;
步骤5,将步骤4得到的ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物置于高温烧结炉中,通入惰性气体(Ar)进行烧结,烧结温度为1500℃,时间为2h,升温速率为2℃/min,然后随炉冷却至室温,得到八面体与多面体的ZrC/TiC纳米颗粒。
实施例2
步骤1,将6.5gZrOCl
步骤2,将0.75g酒石酸与5g水混合,搅拌溶解后得到无色透明溶液C;
步骤3,将步骤2得到的无色透明溶液C加入至步骤1得到的无色透明溶液B中,搅拌30min混合均匀后得到无色透明溶液D;
步骤4,将步骤3得到的无色透明溶液D进行旋蒸,旋蒸的压力为75mbar,水浴温度为48℃,循环冷却温度为8℃,旋蒸时间为2.5h,旋蒸后无色透明溶液D呈现黄色,当剩余1/3的液体出现挂壁状态,停止旋蒸,将剩余液体置于烘箱中进行干燥,干燥温度为60℃,干燥时间为2.5天,得到黑色ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物;
步骤5,将步骤4得到的ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物置于高温烧结炉中,通入惰性气体(Ar)进行烧结,烧结温度为1500℃,时间为2h,升温速率为3.5℃/min,然后随炉冷却至室温,得到八面体与多面体的ZrC/TiC纳米颗粒。
实施例3
步骤1,将13gZrOCl
步骤2,将1g酒石酸与8g水混合,搅拌溶解后得到无色透明溶液C;
步骤3,将步骤2得到的无色透明溶液C加入至步骤1得到的无色透明溶液B中,搅拌30min混合均匀后得到无色透明溶液D;
步骤4,将步骤3得到的无色透明溶液D进行旋蒸,旋蒸的压力为72mbar,水浴温度为50℃,循环冷却温度为5℃,旋蒸时间为2.5h,旋蒸后无色透明溶液D呈现黄色,当剩余1/3的液体出现挂壁状态,停止旋蒸,将剩余液体置于烘箱中进行干燥,干燥温度为60℃,干燥时间为2天,得到黑色ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物;
步骤5,将步骤4得到的ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物置于高温烧结炉中,通入惰性气体(Ar)进行烧结,烧结温度为1400℃,时间为2h,升温速率为5℃/min,然后随炉冷却至室温,得到八面体与多面体的ZrC/TiC纳米颗粒。
实施例4
步骤1,将13gZrOCl
步骤2,将1.5g酒石酸与10g水混合,搅拌溶解后得到无色透明溶液C;
步骤3,将步骤2得到的无色透明溶液C加入至步骤1得到的无色透明溶液B中,搅拌30min混合均匀后得到无色透明溶液D;
步骤4,将步骤3得到的无色透明溶液D进行旋蒸,旋蒸的压力为78mbar,水浴温度为48℃,循环冷却温度为8℃,旋蒸时间为2.5h,旋蒸后无色透明溶液D呈现黄色,当剩余1/3的液体出现挂壁状态,停止旋蒸,将剩余液体置于烘箱中进行干燥,干燥温度为60℃,干燥时间为3天,得到黑色ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物;
步骤5,将步骤4得到的ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物置于高温烧结炉中,通入惰性气体(Ar)进行烧结,烧结温度为1450℃,时间为2h,升温速率为3.5℃/min,然后随炉冷却至室温,得到八面体与多面体的ZrC/TiC纳米颗粒。
实施例5
步骤1,将6.5gZrOCl
步骤2,将1.5g酒石酸与10g水混合,搅拌溶解后得到无色透明溶液C;
步骤3,将步骤2得到的无色透明溶液C加入至步骤1得到的无色透明溶液B中,搅拌30min混合均匀后得到无色透明溶液D;
步骤4,将步骤3得到的无色透明溶液D进行旋蒸,旋蒸的压力为75mbar,水浴温度为46℃,循环冷却温度为5℃,旋蒸时间为3h,旋蒸后无色透明溶液D呈现黄色,当剩余1/3的液体出现挂壁状态,停止旋蒸,将剩余液体置于烘箱中进行干燥,干燥温度为60℃,干燥时间为3天,得到黑色ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物;
步骤5,将步骤4得到的ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物置于高温烧结炉中,通入惰性气体(Ar)进行烧结,烧结温度为1400℃,时间为2h,升温速率为2℃/min,然后随炉冷却至室温,得到八面体与多面体的ZrC/TiC纳米颗粒。
图1为ZrC/TiC纳米颗粒的X射线衍射图(XRD),从图中可以看出纳米颗粒中出现了ZrC与TiC的特征峰,并呈现Ti向ZrC中固溶的趋势,并且ZrC/TiC有机复合前驱体固体产物在1400~1500℃烧结2h所得的ZrC/TiC衍射峰强度较高,结晶度较好;图2为ZrC/TiC纳米颗粒的扫描电镜图(SEM),发现ZrC/TiC纳米颗粒呈现八面体与多面体形貌;图3为ZrC/TiC纳米颗粒的TEM图,发现浅色多面体颗粒为TiC颗粒,深色多面体颗粒为ZrC颗粒,复合纳米颗粒均呈现出碳包覆结构;图4为图3A处的包覆界面高分辨图;图5为ZrC纳米颗粒的电子颜射花样和图6为TiC纳米颗粒的电子颜射花样,从图中可以看出ZrC与TiC颗粒均呈现单晶结构。
- 一种ZrC-TiC复合纳米颗粒材料的制备方法
- 一种复合结构纳米颗粒材料及其制备方法和应用