熔盐介质中碳化物粉体的制备研究

论文摘要

碳化硅、碳化钛和碳化锆材料都具有高熔点、高强度、良好的导电导热性、化学稳定性以及高温抗氧化等优异性能,在冶金、机械、电子、核工业、生物材料和航天航空等领域有着广泛的应用。而具有理想尺寸以及可控形貌的粉体是制备上述先进碳化物材料的基础。针对目前碳化物粉体制备工艺中存在的反应温度高及合成粉体易团聚等不足,本文提出一种新的粉体制备方法,即在熔盐介质中通过氧化物的金属热还原反应和被还原金属与碳直接反应的方法来制备碳化硅、碳化钛和碳化锆粉体。系统地研究了反应温度、熔盐组成、金属/碳摩尔比、保温时间、反应物组成和配比以及还原剂种类等制备参数对合成产物的影响。运用FactSage软件探讨了反应发生的可能性,模拟计算了在熔盐中合成碳化物粉体的热力学过程。应用XRD、SEM、激光粒度分析、比表面积分析等研究手段对合成的粉体的物相组成及形貌进行了表征。对熔盐中合成碳化硅粉体的形成机理进行了分析。得到以下主要结论:以SiO2为硅源、炭黑为碳源,在750℃1100℃的熔盐介质中反应并保温3小时可以合成SiC粉体。KCl-NaCl熔盐体系在750℃已有SiC生成。在KCl熔盐中、以金属镁为还原剂1000℃下的获得了D50为1.057μm,比表面积54.88m2/g,纯度较高,分散性较好的SiC粉体。以TiO2为钛源、炭黑为碳源,在750℃1100℃的熔盐环境中可以得到TiC粉体。其中,以金属镁为还原剂,在KCl-NaCl熔盐系统中750℃时已有TiC相生成;在950℃下反应并保温3小时,制备出了D50为0.39μm,比表面积为89.76 m2/g的TiC粉体。以含锆的氧化物为锆源、炭黑为碳源,在800℃1100℃的熔盐液相中可以得到ZrC粉体。在NaCl熔盐中以金属镁为还原剂,在1000℃时合成出了D50为18.59μm,比表面积15.27m2/g的ZrC粉体。上述三种碳化物粉体的物相组成及形貌与合成温度、熔盐组成、金属/碳的摩尔比、保温时间、反应物组成以及还原剂种类有关。在相同实验条件下:（1）1000℃时的熔盐体系中能够制备出纯度较高,分散性较好的碳化物粉体;（2）实验所用熔盐中,KCl-NaCl盐中反应发生的温度最低,KCl盐中合成的粉体形貌和结晶性最好;（3）三种碳化物粉体中SiC最易被金属还原制得,TiC次之。（4）实验所得合成产物中,TiC粉末的粒度最小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 文献综述
• 1. 超细粉体技术
• 2. 碳化物
• 2.1 碳化硅
• 2.2 碳化钛
• 2.3 碳化锆
• 3. 金属热还原法
• 3.1 还原剂的性质及选择
• 3.2 金属热还原法的应用
• 4. 熔盐法
• 4.1 熔盐法的原理
• 4.2 熔融盐性质及其选择
• 4.3 熔盐法的特点
• 4.4 熔盐法在无机粉体制备中的应用
• 5. 选题背景与研究内容
• 5.1 选题背景与意义
• 5.2 研究内容
• 第二章 研究内容与实验方案
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验仪器设备
• 2.3 实验研究路线
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 样品的制备
• 2.4.2 合成产物的检测
• 第三章 碳化硅粉体的合成研究
• 3.1 前言
• 3.2 反应热力学计算
• 3.3 结果分析与讨论
• 3.3.1 合成产物的物相分析
• 3.3.2 粒度分析
• 3.3.3 比表面积分析
• 3.3.4 形貌和能谱分析
• 3.4 SiC粉体合成机理探讨
• 3.5 本章小节
• 第四章 碳化钛粉体的合成研究
• 4.1 前言
• 4.2 反应热力学计算
• 4.3 结果分析与讨论
• 4.3.1 合成产物的物相分析
• 4.3.2 形貌和能谱分析
• 4.3.3 粒度分析
• 4.3.4 比表面积分析
• 4.4 本章小节
• 第五章 碳化锆粉体的合成研究
• 5.1 前言
• 5.2 反应热力学计算
• 5.3 结果分析与讨论
• 5.3.1 合成产物的物相分析
• 5.3.2 粒度分析
• 5.3.3 比表面积分析
• 5.3.4 形貌和能谱分析
• 5.4 本章小节
• 第六章 总结论
• 6.1 论文总结
• 6.2 本论文的创新之处
• 6.3 今后工作的设想
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢