纳米Cr_3C_2粉末及晶须的制备研究

【摘要】碳化铬（Cr3C2）因具有高熔点、高耐磨性、抑制晶粒长大以及提高材料抗氧化性和抗腐蚀性等优越性能而广泛应用于钢铁、硬质合金、高温合金、高耐磨工件涂层等诸多工业生产领域。目前，基于“球磨混合+高温碳化”制备Cr3C2粉末的现有工业技术，由于合成温度高（一般在1400-1800℃水平）难以获得纳米粉末。寻求一种经济、高效的纳米Cr3C2粉末合成方法指导工业生产具有重要意义。另外，纳米Cr3C2晶须也具有潜在的工业应用价值，但目前国内尚无Cr3C2晶须制备的研究报道。为此，本文以重铬酸铵和葡萄糖为原料，采用真空碳热还原方法制备了纳米Cr3C2粉末，主要探讨了合成温度、保温时间、反应气氛等工艺参数对纳米Cr3C2粉末制备的影响，并对Cr3C2-50VC、Cr3C2-20WC-12Ni复合粉的制备方法进行工艺探索；以重铬酸铵、葡萄糖、卤化剂等为原料制备了纳米Cr3C2晶须，重点研究了合成温度、保温时间、卤化剂种类及其含量等参数对纳米Cr3C2晶须制备的影响，最后分别讨论了纳米Cr3C2粉末及其晶须的制备机理。纳米Cr3C2粉末制备的研究结果表明：利用“前驱体+真空碳热还原”技术在700℃-2h条件下制备了纳米Cr3C2粉末，其平均粒径小于100nm。与传统工业方法制备Cr3C2粉末的1400-1800℃合成温度相比，本研究合成纳米Cr3C2粉末的反应温度降低了约700℃。合成温度显著降低的原因主要有两个：一是前驱体法所获得的Cr2O3/C混合物具有在分子级别水平的元素均匀分布，缩短了Cr、C、O原子之间发生化学反应的扩散距离；二是真空气氛能显著降低产物气体分压，促进Cr2O3→Cr3C2的反应转变，加快反应进程。提高合成温度和延长保温时间，有利于加速反应进程，但过高的合成温度和长时间保温会使反应产物出现晶粒长大现象。在此基础上，本实验还成功制备了粒径约为20-100nm的纳米Cr3C2-50VC复合粉末和粒径约为50-100nm纳米Cr3C2-20WC-12Ni复合粉末。纳米Cr3C2晶须制备的研究结果表明：利用“前驱体+真空碳化+催化合成”技术在800℃-2h条件下制备了纳米Cr3C2晶须，其平均直径为20-50nm。过低的合成温度和较短的保温时间不利于Cr3C2相的形成，从而制约晶须形核生长；但过高的合成温度和长时间保温会抑制晶须的生长，并促进Cr3C2颗粒的形成。添加熔点为657℃的NaCl+KCl（摩尔比1:1）所合成的纳米Cr3C2晶须效果最佳，其最佳添加量4wt.%；卤化剂添加量过少，晶须生成量少；但过量添加卤化剂反而会抑制晶须生长；适用于SiC和TiC等碳化物晶须生长的Fe/Co/Ni催化剂，不能促进Cr3C2晶须的生长。Cr3C2晶须生长过程同时受到Cr2O3→Cr3C2化学反应过程和卤化剂熔体中溶质原子溶解析出过程的双重制约。要满足晶须生长条件，必须考虑三个主要因素条件：（a）根据Cr3C2相的形成温度选择熔点温度匹配的卤化剂种类；（b）选择适当的碳热还原温度和保温时间；（c）选择适当的卤化剂添加量。
【作者】叶发明；
【导师】金永中；
【作者基本信息】四川理工学院，化学工程，2014，硕士
【关键词】纳米Cr3C2粉末；纳米Cr3C2晶须；前驱体；卤化剂；真空碳热还原；

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