一种纳米VC晶须及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种纳米VC晶须及其制备方法，属于晶须制备技术领域。本发明专利技术将可溶性的原料溶于适量去离子水，得到前驱体溶液，随后干燥，研磨过后，得到混合料，接着将前躯体混合料在反应设备内进行预煅烧，预煅烧后进行最终碳热还原得到晶须产物，最后将晶须产物提纯，得到纳米VC晶须。本发明专利技术方法工艺简单，原料碳质还原剂和熔盐来源丰富、价格低，无需对不同组分原料进行机械混合，操作方便，适合工业化生产。

A nano-VC whisker and its preparation method

The invention discloses a nano VC whisker and a preparation method thereof, belonging to the technical field of whisker preparation. The precursor solution is obtained by dissolving soluble raw materials in appropriate deionized water, drying and grinding, and then the mixture is obtained. Then the precursor mixture is pre-calcined in the reaction equipment, and the final carbothermal reduction is carried out after pre-calcination to obtain the whisker product. Finally, the whisker product is purified and nano-VC whisker is obtained. \u3002 The method has the advantages of simple process, abundant source of raw material carbon reducing agent and molten salt, low price, no need for mechanical mixing of different components of raw materials, convenient operation and suitable for industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米VC晶须及其制备方法
本专利技术涉及晶须制备
，具体涉及一种纳米VC晶须及其制备方法。
技术介绍
碳化钒(VC)是一种冶金和化工行业所常用的材料，为面心立方NaCl型晶体结构，晶格常数a＝0.4165nm。VC具有高硬度、高熔点和优异的高温强度，通常被添加于钢中提高钢的耐磨性、耐蚀性、韧性、强度、延展性、硬度以及抗热疲劳性等综合性能，并使钢具有良好的可焊接性能，而且能起到消除夹杂物延伸等作用。VC可作为超细硬质合金晶粒抑制剂，添加微量VC能明显提高基体合金的硬度与断裂韧性，阻止硬质合金中WC晶粒的长大；添加碳化钒也可使硬质合金寿命提高20％。VC还可作为耐磨的涂层材料，因为VC具有摩擦系数小、与钢材热膨胀系数的差距小、耐磨等特点，它可作为Cr12MoV钢的表面涂覆层，能大幅度提升材料的寿命、耐磨耐蚀性能。VC不仅在硬质合金和涂层材料中有应用，还能应用于催化剂和电子产品方面。由此可见，纳米VC晶须材料具备诸多性能，在强韧化、耐高温、耐腐蚀复合材料方面具有良好工业应用前景。目前，VC主要以粉体材料的产品类型出现在工业应用中，目前还没有VC晶须制备的研究报道。晶须是一种能自然生长或人工合成的短纤维材料，一般其直径为微米数量级，且本身原子排列高度有序，拥有接近完整晶体理论值的高强度。除此之外，晶须具有高度取向结构，所以它具有高升长率、高模量，还具有电、光、磁、导电、介电、超导电等方面的优良性质。晶须的这些优良性质使其具有了巨大的应用潜能。与VC晶须相对应的其它碳化物晶须，如SiC、TiC、Cr3C2等已有相关研究报道。目前，SiC晶须是唯一实现全球商业化应用的碳化物晶须。SiC晶须在增强增韧、耐磨等方面的性能更加优于金属晶须或者其他类型的晶须，用作塑料、金属、陶瓷的改性增强材料时显示良好的物理、化学性能和优异的机械性能，已应用到机械、电子、化工、国防、能源、环保等领域。与SiC晶须，VC具有更高的耐高温氧化、耐腐蚀性；而且VC还具有细化晶粒组织的独特性能。因此，研究开发VC晶须具有重要工业应用价值。碳化物晶须，如SiC的制备方法较多，主要使用的有以下几种：化学气相沉积法(CVD)，溶胶凝胶法，高温碳热还原法，前驱体法，水热法、熔融法、助熔剂法等。CVD方法可以得到纯度较高且形貌较好的晶须，但对反应原料的纯度要求很高，则原料价格相对较贵，相应的提高生产成本且此法制备晶须产量不高，因此工业化大批量生产受到一定限制。溶胶凝胶法制备的晶须形貌表现良好，分散性好，比较均匀，成本相对较低，但是其合成步骤较多，合成周期比较长，也不利于工业化生产。以氧化物为原料的碳热还原法优点是工艺较为简单，原料可以多种选择，成本较低，是工业化生产的主要制备工艺，但缺点是高温反应，晶须产率提高有待改进。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种纳米VC晶须及其制备方法，其技术方案如下：一种纳米VC晶须的制备方法，包括：(1)将偏钒酸盐、碳质还原剂、熔盐和催化剂溶于去离子水中，制得前驱体溶液；其中，偏钒酸盐和碳质还原剂按照碳：钒原子摩尔比为3～5∶1的比例添加，熔盐的加量为VC理论生成量的100～200wt％，催化剂的加量为VC理论生成量的25～70wt％；(2)将前驱体溶液干燥后研磨，制得前驱体混合料；(3)将前驱体混合料于惰性气氛中在350～600℃的温度下煅烧1～2h，制得预煅烧产物，冷却后备用；(4)将预煅烧产物于惰性气氛或真空中在900～1050℃的温度下保温1～3h，制得晶须产物；(5)将晶须产物进行提纯处理，制得纳米VC晶须。本专利技术通过将偏钒酸盐、碳质还原剂和熔盐等原料混合制得前驱体溶液，使得反应体系中各个物质实现分子级别上的均匀混合，从而有利于在后续碳热还原反应过程中原子迁移距离缩短、扩散传质更快，进而可以大幅度降低对碳化温度的要求，可由一般碳化物晶须的1100℃以上降低至本专利技术所能够实现碳热还原反应的900-1050℃，节约成本，有利于工业化生产。同时，相比较于未经过预煅烧而直接碳热还原的制备工艺而言，本专利技术在碳热还原反应阶段之前进行预煅烧，其功能在于能更显著促进VC(碳化钒)晶须的生长。五价钒氧化物的熔点为670℃左右，本专利技术在600℃以下采用预煅烧工艺能稳定控制生成的钒氧化物的价态，有利于在碳热还原反应体系中，熔融态的钒氧化物快速扩散传质与碳发生反应生成VC相，VC相达到一定浓度后稳定析出生长成VC晶须；未采取预煅烧工艺而直接碳热还原，其反应过程中反应更复杂，生成多种其他价态的钒氧化物，其熔点高，扩散传质较慢，导致晶须的生长不稳定，制备的VC产物晶须数量较少，且生成较多非晶须片层状VC。此外，本专利技术整个工艺简单，原料碳质还原剂和熔盐来源丰富、价格低，无需对不同组分原料进行机械混合，操作方便。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，步骤(2)中，干燥设备为冷冻干燥机、鼓风干燥箱、喷雾干燥机或磁力加热搅拌器；其中，冷冻干燥机的干燥温度为-45～-55℃；鼓风干燥箱的干燥温度为75～85℃；喷雾干燥机的干燥温度为140～150℃；磁力加热搅拌器干燥温度为90～110℃。在对前驱体溶液进行干燥时可以采用上述多种方式进行干燥，由于每种干燥方式原理不同，相应地，本专利技术在设定干燥温度上也采用不同的方式，以达到更加的干燥效果。优选地，冷冻干燥机的干燥温度为-45℃、-50℃、-55℃。优选地，鼓风干燥箱的干燥温度为75℃、80℃、85℃。优选地，喷雾干燥机的干燥温度为140℃、145℃、150℃。优选地，磁力加热搅拌器干燥温度为90℃、100℃、110℃。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，步骤(2)中，将研磨后过250-350目筛的筛下物作为前驱体混合料。通过研磨增大了物料颗粒的比表面积，加快反应速度，促使后续还原反应中更多地VC生成。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，步骤(5)中，提纯处理的具体过程为：将步骤(4)制得的晶须产物进行高速离心分离，将分离物干燥后，得到纳米VC晶须。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述偏钒酸盐为偏钒酸铵或偏钒酸钠。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述碳质还原剂为木糖或葡萄糖。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述熔盐为氟化钠、氟化钾、氯化钾和硫酸钠中的一种或两种组合。进一步地，在本专利技术较佳的实施例中，上述催化剂为氯化镍、氯化钴、氯化铁和镍粉的一种或多种组合。上述的制备方法制备得到的纳米VC晶须。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术弥补了纳米VC晶须制备工艺的空缺，获得了耐高温氧化、耐腐蚀性能更加优异的碳化物晶须；本专利技术制备工艺简单、参数易于控制，十分利于工业化生产。同时本专利技术制备的VC晶须表面光滑，长径比大，晶须直径约80nm。附图说明图1为本专利技术实施例3制得的纳米VC晶须SEM图；图2为本专利技术实施例3制得的纳米VC晶须XRD图；图3为未经过预煅烧制备的VC产物SEM图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。需要说明的是，VC理论生成量是按照如下方法计算得出的：根据称量的偏钒酸盐质量，确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米VC晶须的制备方法，其特征在于，包括：(1)将偏钒酸盐、碳质还原剂、熔盐和催化剂溶于去离子水中，制得前驱体溶液；其中，所述偏钒酸盐和碳质还原剂按照碳∶钒原子摩尔比为3～5∶1的比例添加，所述熔盐的加量为VC理论生成量的100～200wt％，所述催化剂的加量为VC理论生成量的25～70wt％；(2)将所述前驱体溶液干燥后研磨，制得前驱体混合料；(3)将所述前驱体混合料于惰性气氛中在350～600℃的温度下煅烧1～2h，制得预煅烧产物，冷却后备用；(4)将所述预煅烧产物于惰性气氛或真空中在900～1050℃的温度下保温1～3h，制得晶须产物；(5)将所述晶须产物进行提纯处理，制得纳米VC晶须。

【技术特征摘要】
1.一种纳米VC晶须的制备方法，其特征在于，包括：(1)将偏钒酸盐、碳质还原剂、熔盐和催化剂溶于去离子水中，制得前驱体溶液；其中，所述偏钒酸盐和碳质还原剂按照碳∶钒原子摩尔比为3～5∶1的比例添加，所述熔盐的加量为VC理论生成量的100～200wt％，所述催化剂的加量为VC理论生成量的25～70wt％；(2)将所述前驱体溶液干燥后研磨，制得前驱体混合料；(3)将所述前驱体混合料于惰性气氛中在350～600℃的温度下煅烧1～2h，制得预煅烧产物，冷却后备用；(4)将所述预煅烧产物于惰性气氛或真空中在900～1050℃的温度下保温1～3h，制得晶须产物；(5)将所述晶须产物进行提纯处理，制得纳米VC晶须。2.根据权利要求1所述的纳米VC晶须的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，干燥设备为冷冻干燥机、鼓风干燥箱、喷雾干燥机或磁力加热搅拌器；其中，所述冷冻干燥机的干燥温度为-45～-55℃；鼓风干燥箱的干燥温度为75～85℃；喷雾干燥机的干燥温度为140～150℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：金永中，蒋小朗，房勇，林修洲，杨瑞嵩，周锐，
申请(专利权)人：四川理工学院，
类型：发明
国别省市：四川,51