一種溶膠凝膠法制備亞微米級氮化鈦粉體材料的方法
【專利摘要】本發明涉及一種溶膠凝膠法制備亞微米級氮化鈦粉體材料的方法。首先將普通二氧化鈦、酚醛樹脂和甲醇按照摩爾比1:0.3~0.6:1.2~2.3在常溫下攪拌混合均勻，然后在70~110℃下保溫2~4小時，得到二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體。將此前驅體置于高溫爐中加熱，在1200~1500℃、氮氣氣氛下，保溫1~4小時，最終得到亞微米級(200nm~1μm)的氮化鈦粉體。反應過程中，酚醛樹脂熱解生成高活性的無定形碳，包裹住二氧化鈦粉體，形成球殼微觀結構，極大程度地增加了反應物之間的接觸面積，有利于碳熱還原反應的進行。本發明所選用的原料成本低廉，燒結時間短，工藝簡單，易于工業化生產。
【專利說明】
一種溶膠凝膠法制備亞微米級氮化鈦粉體材料的方法
技術領域
[0001]本發明屬于陶瓷材料制備領域，尤其涉及一種溶膠凝膠法制備氮化鈦粉體材料的方法。
【背景技術】
[0002]氮化鈦具有典型的NaCl型結構，屬面心立方點陣，晶格常數a=0.4241nm。氮化鈦具有非常優異的機械及物理化學性能，在硬質薄膜、光學薄膜、集成電路和熱傳導涂層等領域顯示出極大的應用前景。隨著市場對其的質量以及數量需求愈來愈大，改進氮化鈦生產工藝是一個重要的問題。目前國內外制備氮化鈦的方法主要有金屬鈦粉或氫化鈦直接氮化法、原位氮化法、機械合金化法、鎂熱還原法、等離子法和自蔓延高溫合成法等。
[0003]盡管氮化鈦合成工藝經過幾十年的發展，工業上已經有了一套比較完善的生產方法，但是其生產工藝上仍然遺留著待解決的問題，如:工藝繁雜、難以大量生產、所用原料昂貴、生產成本高、周期慢等。利用低成本的原材料有效快速地制備高純高細高質量的氮化鈦成為了各國研究者關注的熱點。專利CN104498982A中公開了一種制備氮化鈦的方法，在鈦可溶陽極電解制備金屬鈦的過程中，在陰極通入氮氣，氮氣與陰極產生的鈦反應生成氮化鈦，分離電解質和氮化鈦，得到氮化鈦產品。分離電解質過程中需要控制真空度小于10Pa，且需要采用濃度0.5?2wt%的鹽酸酸洗。該工藝受到真空條件的限制，同時會產生廢液，造成環境污染。專利CN104928656A中公開了一種氮化鈦薄膜的制備方法，利用含鈦的有機前驅體溶膠，在常溫下浸漬襯底，干燥后進行熱處理得到氧化鈦薄膜，隨后在氨氣氣氛下對氧化鈦薄膜進行高溫氮化處理，獲得氮化鈦薄膜。得到氧化鈦薄膜的過程中，需要重復處理3?15次，工藝繁瑣，雖然最終得到了氮化鈦薄膜，但其尺寸和形狀受工藝特性影響而受到很大限制。專利CN102659087A中公開了一種原位碳熱還原氮化法制備氮化鈦的方法，結合醇熱法和氨氣保護下的氮化制備技術，通過改變醇熱時間來制備不同形貌結構的氮化鈦前驅體，在進行碳熱還原氮化，得到了大比表面積的特殊形貌結構的氮化鈦。制備過程中需要使用1.2?1.3mol/L的硫酸氧鈦酸性溶液，制備前驅體過程中會產生廢酸，造成環境污染。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種采用溶膠凝膠法制備亞微米級氮化鈦粉體材料的方法。本發明采用普通二氧化鈦、酚醛樹脂、甲醇作為原料，降低了制備成本;并通過溶膠凝膠法制備了二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體，增大了反應物之間的接觸面積;該方法工藝簡單，可以制備出高純度、亞微米級氮化鈦粉體顆粒。
[0005]本發明采用普通二氧化鈦、酚醛樹脂、甲醇作為原料，并通過溶膠凝膠法制備了二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體。
[0006]本發明的具體步驟如下:
(I)將二氧化鈦、酚醛樹脂和甲醇按照摩爾比為1:(0.3?0.6):(1.2?2.3)混合，形成混合液； (2)將混合溶液在70?110°C下烘干2?4小時，得到二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體；
(3)將前驅體放入高溫爐中加熱，在1200?1500°C、氬氣氣氛下，保溫I?4小時，酚醛樹脂熱解生成無定形碳，通過碳熱還原反應，最終得到亞微米級氮化鈦粉體材料。
[0007]上述步驟(I)中，二氧化鈦和酚醛樹脂在甲醇溶液中通過電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉速為100~400rpm，攪拌時間I?3小時。
[0008]所述碳熱還原反應的工藝為，以5?15°C/min的速率升溫至1200?1500°C，保溫I?4小時，然后以5?15 °C /min的速率降至室溫。
[0009]本發明還涉及上述工藝制備的氮化鈦，所述氮化鈦的純度大于99.5%，粒度為200nm?Iym0
[0010]本發明與現有技術相比，具備以下優點:
1、本發明采用二氧化鈦、酚醛樹脂和甲醇為原料，相比于其他制備方法成本更加低廉，制備溫度較低，工藝流程簡單，且易于工業化生產；
2、本發明采用溶膠凝膠法制備二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體，兩種反應物混合均勻，酚醛樹脂熱解產生的無定形碳與二氧化鈦顆粒形成球殼結構，增大了反應物之間的接觸面積，且產生的無定形碳活性高，有利于碳熱還原反應的進行；
3、本發明得到的氮化鈦顆粒純度高，且為亞微米級粉體材料。
【附圖說明】
[0011 ]圖1為實施例1碳熱還原溫度為1500 °C時氮化鈦的X射線衍射圖(XRD)。
[0012]圖2為實施例2碳熱還原溫度為1400°C時氮化鈦的X射線衍射圖(XRD)。
[0013]圖3為實施例3碳熱還原溫度為1300°C時氮化鈦的X射線衍射圖(XRD)。
【具體實施方式】
[0014]下面結合具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明。
[0015]實施例1:
將二氧化鈦、酚醛樹脂和甲醇按照摩爾比為1:0.5:1.9混合，利用電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉速為300rpm，攪拌時間3小時。將混合溶液在110 °C下烘干2小時，得到二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體。將前驅體放入氧化鋁坩禍中，氮氣保護氣氛下，以5°C/min的速率升溫至1500 0C，保溫4小時，然后以5°C/min的速率降至室溫，最終得到了純度大于99.5%的氮化鈦粉體，粒度為200nm?Ιμπι。
[0016]圖1是碳熱還原溫度為1500°C時產物的X射線衍射圖(XRD)，證明產物為氮化鈦，且不存在其他雜相。
[0017]實施例2:
將二氧化鈦、酚醛樹脂和甲醇按照摩爾比為1:0.6:2.3混合，利用電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉速為300rpm，攪拌時間3小時。將混合溶液在110 °C下烘干2小時，得到二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體。將前驅體放入氧化鋁坩禍中，氮氣保護氣氛下，以5°C/min的速率升溫至1400°C，保溫4小時，然后以5°C/min的速率降至室溫，最終得到了純度大于99.5%的氮化鈦粉體，粒度為200nm?Ιμπι。
[0018]圖2是碳熱還原溫度為1400°C時產物的X射線衍射圖(XRD)，證明產物為氮化鈦，且不存在其他雜相。
[0019]實施例3:
將二氧化鈦、酚醛樹脂和甲醇按照摩爾比為1:0.5:1.9混合，利用電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉速為300rpm，攪拌時間3小時。將混合溶液在110 °C下烘干2小時，得到二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體。將前驅體放入氧化鋁坩禍中，氮氣保護氣氛下，以5°C/min的速率升溫至1300 0C，保溫4小時，然后以5°C/min的速率降至室溫，最終得到了純度大于99.5%的氮化鈦粉體，粒度為200nm?Ιμπι。
[0020]圖3是碳熱還原溫度為1300°C時產物的X射線衍射圖(XRD)，證明產物為氮化鈦，且不存在其他雜相。
[0021]實施例4:
將二氧化鈦、酚醛樹脂和甲醇按照摩爾比為1:0.6:2.3混合，利用電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉速為400rpm，攪拌時間I小時。將混合溶液在110 °C下烘干4小時，得到二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體。將前驅體放入氧化鋁坩禍中，氮氣保護氣氛下，以15°C/min的速率升溫至12000C，保溫4小時，然后以15°C/min的速率降至室溫，最終得到了純度大于99.5%的氮化鈦粉體，粒度為200nm?500nm。
[0022]實施例5:
將二氧化鈦、酚醛樹脂和甲醇按照摩爾比為1:0.3:1.2混合，利用電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉速為10rpm，攪拌時間4小時。將混合溶液在110 °C下烘干4小時，得到二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體。將前驅體放入氧化鋁坩禍中，氮氣保護氣氛下，以15°C/min的速率升溫至1500 °C,保溫I小時，然后以15 °C /min的速率降至室溫，最終得到了純度大于99.5%的氮化鈦粉體，粒度為200nm?I nm。
【主權項】
1.一種溶膠凝膠法制備亞微米級氮化鈦粉體材料的方法，其特征在于，采用普通二氧化鈦、酚醛樹脂、甲醇作為原料，并通過溶膠凝膠法制備了 二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體。2.如權利要求1所述的溶膠凝膠法制備亞微米級氮化鈦粉體材料的方法，其特征在于，具體步驟如下: I)將二氧化鈦、酚醛樹脂和甲醇按照摩爾比為1:(0.3?0.6):(1.2?2.3)混合，形成混合液； 2 )將混合溶液在70?I10C下烘干2?4小時，得到二氧化鈦/酚醛樹脂前驅體； 3)將前驅體放入高溫爐中加熱，在1200?1500°C、氬氣氣氛下，保溫I?4小時，酚醛樹脂熱解生成無定形碳，通過碳熱還原反應，最終得到亞微米級氮化鈦粉體材料。3.如權利要求1所述的溶膠凝膠法制備亞微米級氮化鈦粉體材料的方法，其特征在于，上述步驟I)中，二氧化鈦和酚醛樹脂在甲醇溶液中通過電磁攪拌將其攪拌均勻，攪拌轉速為100?400rpm，攬摔時間I?3小時。4.如權利要求1所述的溶膠凝膠法制備亞微米級氮化鈦粉體材料的方法，其特征在于，所述碳熱還原反應的工藝為，以5?15°C/min的速率升溫至1200?1500 °C，保溫I?4小時，然后以5?15°C/min的速率降至室溫。5.如權利要求1所述的溶膠凝膠法制備亞微米級氮化鈦粉體材料的方法，其特征在于，所述工藝制備的氮化鈦的純度大于99.5%，粒度為200nm?Ιμπι。
【文檔編號】C01B21/076GK105836718SQ201610273665
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月27日
【發明人】張國華, 茍海鵬, 吳柯漢, 周國治
【申請人】北京科技大學