一种一步法合成碳化铌纳米材料的制备方法

技术领域

本发明涉及难熔高温材料制备技术领域，尤其涉及一种一步法合成碳化铌纳米材料的制备方法。

背景技术

随着高温材料和硬质合金材料的快速发展，对铌产品的需求随之递增。碳化铌作为难熔高温材料和硬质合金的添加剂，具有可显著提升硬质合金热硬度、抗热冲击、抗热压和抗氧化的能力，同时利用碳化铌制备的复相材料也已广泛应用于聚变堆、机加工、冶金、航天等领域，使碳化铌纳米材料及其制备技术备受关注

目前，工业上常以五氧化二铌和炭黑为原料制备碳化铌，即先将五氧化二铌和炭黑按照一定比例配成碳化料，经充分混合后装入石墨坩埚中，再放入碳化炉中在惰性气体保护或真空条件下加热至1600～1800℃，进行第一次碳化，然后再补加炭黑并充分混合，再放入碳化炉于惰性气体或真空下加热至1800～1900℃，进行第二次碳化，即得碳化铌产品。

这种方法的缺点是需要两次高温还原，工艺复杂，能耗高。五氧化二铌粉末与炭黑(或石墨)粉末混合不均匀，且炭黑(或石墨)粉末的活度较低，使五氧化二铌反应不完全，最终成为碳化铌产品中的杂质。此外，因残存在碳化铌粉末中的炭黑(或石墨)粉末活性低，脱碳时需较高温度(＞600℃)，才能使碳在氧化气氛中生成一氧化碳或二氧化碳脱除，而温度越高粉末中的氧含量越高，导致碳化铌粉末的质量下降。

申请公布号为CN102285652A的专利公布了一种利用酚醛树脂与粒度为0.1～3μm的五氧化二铌粉体制备碳化铌的方法，该方法不仅需要在1300℃～1800℃的温度惰性或还原性气氛气氛烧制6～8小时制得碳化铌块体，还需要脱碳后粉碎，工艺复杂，能耗高。

申请公布号为CN114538444A的专利公布了一种利用过氧化氢、有机络合物与铌盐的溶液制得碳化铌粉末的方法。该方法虽然可以使碳化铌的制备温度降低至1000℃，但是制备工艺十分复杂、难控制且耗时过长。

申请公布号CN102275919A的专利公布了一种利用浆状的氢氧化铌制备碳化铌的方法，该方法可降低还原温度至1280℃，但是该方法不仅对原料要求较高，同时产品制备周期过长，可达31.5小时。

发明内容

本发明的目的是克服现有碳化铌技术中成本高、能耗高、工艺复杂和品质低等缺点，提供一种成本低、能耗低、工艺简便的一步制备纳米级碳化铌粉体的新方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种一步法合成碳化铌纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

①原料制备：

将纯度为99％～99.9％、粒径为0.5～2.5μm的氢氧化铌粉体与15～50μm炭黑粉体以重量比为1∶0.2～0.4的比例混合均匀，然后过粒径124～150μm的筛子形成原料粉体；

②碳化铌粉体合成：

将上述原料粉末在1300℃下真空条件下烧制2～4小时制得碳化铌粉体，保温期间压力保持低于-0.04MPa。

进一步的，所述混合均匀具体为在行星球磨机中研磨混合均匀。

进一步的，具体包括：

①原料制备：

将10g纯度为99.02％、平均粒径为1.33μm的氢氧化铌粉体与3g粒径为35.37μm炭黑粉体在行星球磨机中研磨混合均匀，然后过筛形成原料粉体；

②碳化铌粉体合成：

将上述原料粉末装入石墨坩埚，然后在1300℃的温度下的真空井式炉内烧制3小时制得碳化铌粉体；

制得碳化铌粉体均匀，纯度为99.01％，粒径为200nm以下。

进一步的，具体包括：

①原料制备：

将10g纯度为99.13％、平均粒径为1.23μm的氢氧化铌粉体与3g粒径为20.11μm炭黑粉体在行星球磨机中研磨混合均匀，然后过筛形成原料粉体。

②碳化铌粉体合成：

将上述原料粉末装入石墨坩埚，然后在1300℃的温度下的真空井式炉内烧制2小时制得碳化铌粉体。

制得碳化铌粉体均匀，纯度为99.04％，粒径为200nm以下。

进一步的，具体包括：

①原料制备：

将40g纯度为99.01％、平均粒径为2.21μm的氢氧化铌粉体与12.3g粒径为25.32μm炭黑粉体在行星球磨机中研磨混合均匀，然后过筛形成原料粉体。

②碳化铌粉体合成：

将上述原料粉末装入石墨坩埚，然后在1300℃的温度下的真空井式炉内烧制3.5小时制得碳化铌粉体。

制得碳化铌粉体均匀，纯度为99.3％，粒径为200nm以下。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

1、本发明直接以氢氧化铌为铌源，可更容易使原料粒径符合要求，而且相比同粒径和同纯度的五氧化二铌，氢氧化铌成本更低。

2、氢氧化铌包裹在粒径相对较大的炭黑表面，在反应形成碳化铌时有利于控制碳化铌晶粒的生长，可获得晶粒尺寸均一的碳化铌粉体。

3、本发明所用原料极为常见，不需另加添加剂，仅调节工艺即可。

4、本发明还原温度仅为1300℃、且保温时间极短，最少仅需2小时。

5、本发明制备超细碳化铌，工艺简单易行，耗时短，设备要求低。

6、本发明采用一步法制备纳米级碳化铌粉体，不需要二次还原。

7、本发明采用一步法制备纳米级碳化铌粉体，不需要脱碳处理。

8、本发明工艺简单、生产成本低、粒径小、粉体应用性能好。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本申请实施例1所得碳化铌利用Jade9.0软件匹配的PDF#：97-004-4496标准样品的XRD物相表征图；

图2为本申请实施例1所得碳化铌的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料均可通过商业途径购买得到。

本申请的实施例中分析方法如下：

1、利用X射线衍射仪(XRD)进行物相鉴定和纯度分析；

2、利用扫描电镜(SEM)进行粒径大小和分布均匀性分析。

实施例1

①原料制备：

将10g纯度为99.02％、平均粒径为1.33μm的氢氧化铌粉体与3g粒径为35.37μm炭黑粉体在行星球磨机中研磨混合均匀，然后过筛形成原料粉体。

②碳化铌粉体合成：

将上述原料粉末装入石墨坩埚，然后在1300℃的温度下的真空井式炉内烧制3小时制得碳化铌粉体。

制得碳化铌粉体均匀，纯度为99.01％，粒径为200nm以下。

实施例2

①原料制备：

将10g纯度为99.13％、平均粒径为1.23μm的氢氧化铌粉体与3g粒径为20.11μm炭黑粉体在行星球磨机中研磨混合均匀，然后过筛形成原料粉体。

②碳化铌粉体合成：

将上述原料粉末装入石墨坩埚，然后在1300℃的温度下的真空井式炉内烧制2小时制得碳化铌粉体。

制得碳化铌粉体均匀，纯度为99.04％，粒径为200nm以下。

实施例3

①原料制备：

将40g纯度为99.01％、平均粒径为2.21μm的氢氧化铌粉体与12.3g粒径为25.32μm炭黑粉体在行星球磨机中研磨混合均匀，然后过筛形成原料粉体。

②碳化铌粉体合成：

将上述原料粉末装入石墨坩埚，然后在1300℃的温度下的真空井式炉内烧制3.5小时制得碳化铌粉体。

制得碳化铌粉体均匀，纯度为99.3％，粒径为200nm以下。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。