基本信息
- 项目名称：
- 纳米过渡金属碳化物的合成及其高温高压特性研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 采用纳米级原材料在较低反应温度、较短反应时间和简单制备工艺条件下，合成纳米碳化铬（钒）粉末，并将其应用于超细硬质合金，显著降低WC晶粒尺寸，提高超细硬质合金性能，尝试对其高温高压物理特性进行研究
- 详细介绍：
- 过渡金属碳化铬（钒）具有较高的熔点、硬度和高温强度，以及良好的电导率和热导率。这些优异的性能确保了它们在冶金、电子、催化剂和高温涂层材料等方面的广泛应用。现代工业尤其是超细硬质合金行业迫切需要高性能纳米碳化铬（钒）粉末。 目前，制备碳化铬（钒）粉末的方法中，主要存在团聚、较宽的粒径分布、低产量、复杂的监控和昂贵的成本等问题，从而限制了其在工业中的应用。为此，本课题从改善反应热力学和动力学入手，首次以纳米碳黑和纳米氧化铬（氧化钒）为原料，采用碳化还原法制备纳米碳化铬（钒）粉末，并将其应用于超细硬质合金，尝试对其高温高压特性进行研究。研究结果表明： 1. 碳含量为28wt.% ，反应温度为1100℃、保温时间为1h时，反应产物为单一的Cr3C2（V8C7），平均晶粒尺寸为25.6nm（26.8nm）。 2. 反应产物的颗粒呈球形，无明显团聚现象，颗粒尺寸约30nm。 3. 纳米V8C7可以有效抑制超细WC基硬质合金中WC晶粒的长大（添加前：WC的晶粒尺寸>1μm；添加后：WC的晶粒尺寸＜0.5μm）；添加纳米V8C7后，超细WC基硬质合金具有较高的性能（相对密度99.7%，洛氏硬度93.4，断裂韧性12.7 MPa•m1/2）。 上述研究将对我国高性能超细硬质合金和金刚石的合成及应用产生重要影响。有利于节约资源及可持续发展，有助于缩小我国加工制造业与先进国家的差距，同时提高我国相关行业在国际中的地位。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：在较低反应温度、较短反应时间和简单制备工艺条件下，合成组成单一、分散均匀的纳米过渡金属碳化物。并将其应用于超细硬质合金，抑制WC晶粒长大，提高合金性能。 基本思路：以纳米材料为原料，通过改善反应热力学及动力学，达到降低成本及节能之目的。结合先进烧结方式及添加纳米碳化物，抑制WC晶粒长大，全面提高硬质合金力学性能。
科学性、先进性及独特之处
- 首次采用纳米级原材料合成纳米碳化铬（钒）粉末，并将其应用于超细硬质合金，显著降低WC晶粒尺寸，提高超细硬质合金性能，尝试对其高温高压物理特性进行研究，具有较高的创新性、学术价值和应用前景。
应用价值和现实意义
- 已在成都硬质合金厂等单位得到实际应用，超细硬质合金的性能明显改善，使用寿命大幅度提高。预计在株洲硬质合金厂、自贡硬质合金厂等国内主要硬质合金生产厂家推广应用后，将会产生巨大的经济效益和社会效益。
学术论文摘要
- 以纳米三氧化二铬和纳米碳黑为原料，采用碳热还原法制备纳米碳化铬(Cr3C2)粉末。采用XRD、SEM和TEM等测试手段对反应产物进行表征和分析。结果表明：在碳含量为28wt.% 时，当反应温度为1100℃、保温时间为1h时，反应产物为单一的Cr3C2，平均晶粒尺寸为25.6nm；反应产物的颗粒呈球形或类球形，无明显团聚现象，颗粒尺寸在30nm左右；试样的表面主要由Cr、C和O三种元素组成，O1s谱图主要包括三个峰(Oa, Oh和Od)，分别对应于O−、OH−和Cr2O3；C1s谱图主要包含四个峰(Cf, Cc, Cd和Ce)，分别对应于污染碳、碳化铬(Cr3C2)，和其它类型的碳化铬Cr3C2-x(0≤x≤0.5)。Cr2p谱图主要由Cr2p3/2和Cr2p1/2两个峰组成。
获奖情况
- 已被《中国有色金属学报》录用，将在近期发表，本期刊为EI检索期刊。
鉴定结果
- 有科技查新和国家发明专利
参考文献
- 通常，碳化铬（钒）粉末的制备采用微米级三氧化二铬（五氧化二钒）与固体碳混合碳化而成，由于原料粉末粒度较粗，造成碳化温度较高、碳化时间较长，合成的碳化铬（钒）粉末一般为微米级，难以满足现代工业需求，现代工业迫切需求纳米级碳化铬（钒）粉末。 现在，国内外学者和专家采取了各种各样的方法来合成碳化铬（钒）粉末，并且取得了很大进展，主要包括直接元素反应法、机械合金化法、程序升温反应法和气相还原碳化法。 [1] S. Gomari, S. Sharafi. Microstructural characterization of nanocrystalline chromium carbides synthesized by high energy ball milling[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2010, 490 (1-2): 26-30. [2] R. Kapoor, S.T. Oyama. Synthesis of vanadium carbide by temperature programmed reaction[J]. Journal of Solid State Chemistry, 1995, 120 (2): 320-326. [3] Reza Ebrahimi-Kahrizsangi, Hossein Monajati Zadeh, Vahid Nemati. Synthesis of chromium carbide by reduction of chromium oxide with methane[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2010, 28 (3): 412-415. [4] 汪兆泉, 刘廷政. 碳化钒的生产方法[P]. 中国专利, 申请号: 96115597.3. [5] 颜练武. 超细V8C7和Cr3C2粉末的制备方法[J]. 硬质合金, 2004, 21 (4): 244-248. [6] 吴恩熙, 颜练武, 钱崇梁. 碳化钒粉末的制备方法[P]. 中国专利, 申请号: 200310101104.3.
同类课题研究水平概述
- 现在，国内外学者和专家采取了各种各样的方法来合成碳化铬（钒）粉末，并且取得了很大进展，主要包括直接元素反应法、机械合金化法、程序升温反应法和气相还原碳化法。其中，美国Rutger 大学的Sadangi等人利用“喷雾干燥→还原分解→气相碳化”工艺分别制备了粒度为0.5μm （0.6μm）的V8C7（Cr3C2）粉末。其工艺过程为：首先制备含V（Cr）的前驱体溶液，然后进行喷雾干燥，再将喷雾干燥的粉末进行热解，将热解后的产物用CH4/H2 混合气体进行气相碳化。美国弗吉尼亚州立大学的Kapoor等人利用CH4/H2混合气体气相还原碳化V2O5得到超细V8C7粉末。Cintho等人通过高能球磨铬粉和石墨粉，随后在800℃、2h条件下，氩气气氛中进行热处理，最终得到碳化铬粉末（Cr3C2和 Cr7C3）。但是，这些方法在工业应用中受到一定限制，主要由于团聚问题、较宽的粒径分布、较低的产率、复杂的监控或昂贵的成本。 我国对碳化铬（钒）的研制起步较晚，开始只有锦州铁合金厂用真空法试制过碳化钒，但最近几年发展迅速。1998年，汪兆泉等人公开了一种“碳化钒的生产方法”，其特点是采用五氧化二钒为主要原料，采用碳作还原剂，按照一定的比例混合，在真空感应炉内进行完全碳化反应。2003年，吴恩熙等人公开了一种“碳化钒粉末的制备方法”，其特征是：首先将V2O5溶解于有机酸溶液中，经喷雾干燥→500~600℃焙烧→碳化等工艺，最终制得粉末平均粒度为0.1μm的超细碳化钒粉末。2006年，郝俊杰等人提供了“一种纳米碳化铬粉末的制备方法”，该方法以重铬酸铵、水合肼、纳米炭黑、酚醛树脂为原料，制备工艺为：合成非晶纳米Cr2O3→配制酚醛树脂乙醇溶液→球磨（2-8h）→干燥（1-2h）→真空碳化→球磨（2-8h）→干燥→过筛→产品。这些方法具有较高的创新性，并且合成的粉末达到了纳米级，但是这些方法通常较复杂，浪费能源，生产成本较高，不利于工业化生产。 上述的制备方法具有许多优点（如在较低的反应温度、较短反应时间获得较小的颗粒尺寸），但是也存在一些缺陷，主要表现在工艺较复杂，能耗较大，生产成本较高，不利于工业化生产等。有些制备方法虽然工艺较简单，但制得的碳化铬粉末存在粒度偏大，团聚现象严重的缺陷，仍然不能满足碳化铬粉末在现代化工业生产中的应用
