一种溶胶凝胶法制备亚微米级氮化钛粉体材料的方法
【专利摘要】本发明涉及一种溶胶凝胶法制备亚微米级氮化钛粉体材料的方法。首先将普通二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比1:0.3~0.6:1.2~2.3在常温下搅拌混合均匀，然后在70~110℃下保温2~4小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体。将此前驱体置于高温炉中加热，在1200~1500℃、氮气气氛下，保温1~4小时，最终得到亚微米级(200nm~1μm)的氮化钛粉体。反应过程中，酚醛树脂热解生成高活性的无定形碳，包裹住二氧化钛粉体，形成球壳微观结构，极大程度地增加了反应物之间的接触面积，有利于碳热还原反应的进行。本发明所选用的原料成本低廉，烧结时间短，工艺简单，易于工业化生产。
【专利说明】
一种溶胶凝胶法制备亚微米级氮化钛粉体材料的方法
技术领域
[0001]本发明属于陶瓷材料制备领域，尤其涉及一种溶胶凝胶法制备氮化钛粉体材料的方法。
【背景技术】
[0002]氮化钛具有典型的NaCl型结构，属面心立方点阵，晶格常数a=0.4241nm。氮化钛具有非常优异的机械及物理化学性能，在硬质薄膜、光学薄膜、集成电路和热传导涂层等领域显示出极大的应用前景。随着市场对其的质量以及数量需求愈来愈大，改进氮化钛生产工艺是一个重要的问题。目前国内外制备氮化钛的方法主要有金属钛粉或氢化钛直接氮化法、原位氮化法、机械合金化法、镁热还原法、等离子法和自蔓延高温合成法等。
[0003]尽管氮化钛合成工艺经过几十年的发展，工业上已经有了一套比较完善的生产方法，但是其生产工艺上仍然遗留着待解决的问题，如:工艺繁杂、难以大量生产、所用原料昂贵、生产成本高、周期慢等。利用低成本的原材料有效快速地制备高纯高细高质量的氮化钛成为了各国研究者关注的热点。专利CN104498982A中公开了一种制备氮化钛的方法，在钛可溶阳极电解制备金属钛的过程中，在阴极通入氮气，氮气与阴极产生的钛反应生成氮化钛，分离电解质和氮化钛，得到氮化钛产品。分离电解质过程中需要控制真空度小于10Pa，且需要采用浓度0.5?2wt%的盐酸酸洗。该工艺受到真空条件的限制，同时会产生废液，造成环境污染。专利CN104928656A中公开了一种氮化钛薄膜的制备方法，利用含钛的有机前驱体溶胶，在常温下浸渍衬底，干燥后进行热处理得到氧化钛薄膜，随后在氨气气氛下对氧化钛薄膜进行高温氮化处理，获得氮化钛薄膜。得到氧化钛薄膜的过程中，需要重复处理3?15次，工艺繁琐，虽然最终得到了氮化钛薄膜，但其尺寸和形状受工艺特性影响而受到很大限制。专利CN102659087A中公开了一种原位碳热还原氮化法制备氮化钛的方法，结合醇热法和氨气保护下的氮化制备技术，通过改变醇热时间来制备不同形貌结构的氮化钛前驱体，在进行碳热还原氮化，得到了大比表面积的特殊形貌结构的氮化钛。制备过程中需要使用1.2?1.3mol/L的硫酸氧钛酸性溶液，制备前驱体过程中会产生废酸，造成环境污染。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种采用溶胶凝胶法制备亚微米级氮化钛粉体材料的方法。本发明采用普通二氧化钛、酚醛树脂、甲醇作为原料，降低了制备成本;并通过溶胶凝胶法制备了二氧化钛/酚醛树脂前驱体，增大了反应物之间的接触面积;该方法工艺简单，可以制备出高纯度、亚微米级氮化钛粉体颗粒。
[0005]本发明采用普通二氧化钛、酚醛树脂、甲醇作为原料，并通过溶胶凝胶法制备了二氧化钛/酚醛树脂前驱体。
[0006]本发明的具体步骤如下:
(I)将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比为1:(0.3?0.6):(1.2?2.3)混合，形成混合液； (2)将混合溶液在70?110°C下烘干2?4小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体；
(3)将前驱体放入高温炉中加热，在1200?1500°C、氩气气氛下，保温I?4小时，酚醛树脂热解生成无定形碳，通过碳热还原反应，最终得到亚微米级氮化钛粉体材料。
[0007]上述步骤(I)中，二氧化钛和酚醛树脂在甲醇溶液中通过电磁搅拌将其搅拌均匀，搅拌转速为100~400rpm，搅拌时间I?3小时。
[0008]所述碳热还原反应的工艺为，以5?15°C/min的速率升温至1200?1500°C，保温I?4小时，然后以5?15 °C /min的速率降至室温。
[0009]本发明还涉及上述工艺制备的氮化钛，所述氮化钛的纯度大于99.5%，粒度为200nm?Iym0
[0010]本发明与现有技术相比，具备以下优点:
1、本发明采用二氧化钛、酚醛树脂和甲醇为原料，相比于其他制备方法成本更加低廉，制备温度较低，工艺流程简单，且易于工业化生产；
2、本发明采用溶胶凝胶法制备二氧化钛/酚醛树脂前驱体，两种反应物混合均匀，酚醛树脂热解产生的无定形碳与二氧化钛颗粒形成球壳结构，增大了反应物之间的接触面积，且产生的无定形碳活性高，有利于碳热还原反应的进行；
3、本发明得到的氮化钛颗粒纯度高，且为亚微米级粉体材料。
【附图说明】
[0011 ]图1为实施例1碳热还原温度为1500 °C时氮化钛的X射线衍射图(XRD)。
[0012]图2为实施例2碳热还原温度为1400°C时氮化钛的X射线衍射图(XRD)。
[0013]图3为实施例3碳热还原温度为1300°C时氮化钛的X射线衍射图(XRD)。
【具体实施方式】
[0014]下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0015]实施例1:
将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比为1:0.5:1.9混合，利用电磁搅拌将其搅拌均匀，搅拌转速为300rpm，搅拌时间3小时。将混合溶液在110 °C下烘干2小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体。将前驱体放入氧化铝坩祸中，氮气保护气氛下，以5°C/min的速率升温至1500 0C，保温4小时，然后以5°C/min的速率降至室温，最终得到了纯度大于99.5%的氮化钛粉体，粒度为200nm?Ιμπι。
[0016]图1是碳热还原温度为1500°C时产物的X射线衍射图(XRD)，证明产物为氮化钛，且不存在其他杂相。
[0017]实施例2:
将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比为1:0.6:2.3混合，利用电磁搅拌将其搅拌均匀，搅拌转速为300rpm，搅拌时间3小时。将混合溶液在110 °C下烘干2小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体。将前驱体放入氧化铝坩祸中，氮气保护气氛下，以5°C/min的速率升温至1400°C，保温4小时，然后以5°C/min的速率降至室温，最终得到了纯度大于99.5%的氮化钛粉体，粒度为200nm?Ιμπι。
[0018]图2是碳热还原温度为1400°C时产物的X射线衍射图(XRD)，证明产物为氮化钛，且不存在其他杂相。
[0019]实施例3:
将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比为1:0.5:1.9混合，利用电磁搅拌将其搅拌均匀，搅拌转速为300rpm，搅拌时间3小时。将混合溶液在110 °C下烘干2小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体。将前驱体放入氧化铝坩祸中，氮气保护气氛下，以5°C/min的速率升温至1300 0C，保温4小时，然后以5°C/min的速率降至室温，最终得到了纯度大于99.5%的氮化钛粉体，粒度为200nm?Ιμπι。
[0020]图3是碳热还原温度为1300°C时产物的X射线衍射图(XRD)，证明产物为氮化钛，且不存在其他杂相。
[0021]实施例4:
将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比为1:0.6:2.3混合，利用电磁搅拌将其搅拌均匀，搅拌转速为400rpm，搅拌时间I小时。将混合溶液在110 °C下烘干4小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体。将前驱体放入氧化铝坩祸中，氮气保护气氛下，以15°C/min的速率升温至12000C，保温4小时，然后以15°C/min的速率降至室温，最终得到了纯度大于99.5%的氮化钛粉体，粒度为200nm?500nm。
[0022]实施例5:
将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比为1:0.3:1.2混合，利用电磁搅拌将其搅拌均匀，搅拌转速为10rpm，搅拌时间4小时。将混合溶液在110 °C下烘干4小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体。将前驱体放入氧化铝坩祸中，氮气保护气氛下，以15°C/min的速率升温至1500 °C,保温I小时，然后以15 °C /min的速率降至室温，最终得到了纯度大于99.5%的氮化钛粉体，粒度为200nm?I nm。
【主权项】
1.一种溶胶凝胶法制备亚微米级氮化钛粉体材料的方法，其特征在于，采用普通二氧化钛、酚醛树脂、甲醇作为原料，并通过溶胶凝胶法制备了 二氧化钛/酚醛树脂前驱体。2.如权利要求1所述的溶胶凝胶法制备亚微米级氮化钛粉体材料的方法，其特征在于，具体步骤如下: I)将二氧化钛、酚醛树脂和甲醇按照摩尔比为1:(0.3?0.6):(1.2?2.3)混合，形成混合液； 2 )将混合溶液在70?I10C下烘干2?4小时，得到二氧化钛/酚醛树脂前驱体； 3)将前驱体放入高温炉中加热，在1200?1500°C、氩气气氛下，保温I?4小时，酚醛树脂热解生成无定形碳，通过碳热还原反应，最终得到亚微米级氮化钛粉体材料。3.如权利要求1所述的溶胶凝胶法制备亚微米级氮化钛粉体材料的方法，其特征在于，上述步骤I)中，二氧化钛和酚醛树脂在甲醇溶液中通过电磁搅拌将其搅拌均匀，搅拌转速为100?400rpm，揽摔时间I?3小时。4.如权利要求1所述的溶胶凝胶法制备亚微米级氮化钛粉体材料的方法，其特征在于，所述碳热还原反应的工艺为，以5?15°C/min的速率升温至1200?1500 °C，保温I?4小时，然后以5?15°C/min的速率降至室温。5.如权利要求1所述的溶胶凝胶法制备亚微米级氮化钛粉体材料的方法，其特征在于，所述工艺制备的氮化钛的纯度大于99.5%，粒度为200nm?Ιμπι。
【文档编号】C01B21/076GK105836718SQ201610273665
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】张国华, 苟海鹏, 吴柯汉, 周国治
【申请人】北京科技大学