碳化铪陶瓷纳米粉体的制备与结构研究
发布时间：2020-08-08 14:49
【摘要】：碳化铪(HfC)是一种难熔的非化学计量的过渡金属碳化物,是已知单一化合物中熔点最高的(3890 ~oC),同时HfC还具有高强度,高硬度,低表面逸出功,良好的导电导热性能等优点,因此在高温耐火材料,复合材料,硬质合金,航空航天以及场发射阴极材料等领域有着广泛的应用前景,如何制备纳米碳化铪粉体对碳化铪陶瓷的制备和应用至关重要。本文以柠檬酸与氯化铪为原料,采用溶胶凝胶工艺结合真空炉快速升温热处理工艺制备纳米碳化铪粉体。通过控制溶胶凝胶工艺和原料配比制备出原料均匀混合的凝胶,然后通过低温管式炉(保护气氛为氩气)进行低温热解得到热解产物(HfO_2-C),后对热解产物进行球磨处理得到颗粒尺寸分散均匀的热解产物,最后在真空高温炉中快速合成纳米碳化铪粉体。本文研究了不同溶胶凝胶工艺方式、碳铪比对热解过程和HfC粉体合成过程的影响,热解工艺和热解产物的球磨处理工艺对热解产物物相组成和显微结构的影响以及高温热处理工艺对HfC粉体合成过程的影响。研究表明当碳铪比为6,热解温度为800 ~oC,热解时间为60 min,球磨4 h时可以得到均匀性好的热解产物(HfO_2-C)。当高温热处理温度为1700 ~oC,高温热处理时间为3 min时可制备得到颗粒发育较好,平均颗粒粒径约为500 nm的纯相碳化铪粉体,HfC颗粒尺寸分布均匀,分散性良好,晶化程度较好,氧含量低(0.692wt%)。采用溶胶凝胶结合快速升温热处理工艺方法与传统合成方法相比,极大程度降低了高温热处理温度。通过控制热解产物的结晶状态和形核过程,获得具有较高的活性HfO_2-C复合粉体,可以在较低温度下合成颗粒细小且分布均匀、纯相HfC粉体。而放电等离子体烧结法(SPS)技术尽管可以在几分钟内完成升温和降温过程,但是难以实现批量制备,同时由于颗粒间存在放电导现象导致局部高温,造成产物HfC粉体的结构不均匀且氧含量相对较高。本文合成碳化铪粉体的方法简单,可以被用来大规模地制备纳米碳化铪粉体。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.6;TB383.3
【图文】：
图 3-1 不同工艺制备的热解产物 XRD 测试图（a：水浴，b：旋转蒸发，c：恒温手动搅拌）Fig 3-1 XRD patterns of pyrolysis products obtained by different processes(a: water bath, b: rotary evaporation, c: constant temperature manual stirring)3.3 不同溶胶凝胶工艺对碳化铪粉体物相的影响图 3-2 是通过不同溶胶凝胶工艺制备得到的 HfC 粉体的 XRD 测试图谱（高温热处理温度：1700oC，高温热处理时间：5 min）。从图中可以看出虽然溶胶凝胶工艺不同，在相同的热解工艺以及高温热处理工艺下，均能合成纯相 Hf粉体。但通过软件 Jade 对衍射峰进行峰拟合得知从工艺 a 到 b 到 c，产物粉体颗粒粒径是逐渐增大的。工艺 a 是通过水浴锅在 80oC 下恒温水浴溶胶凝胶得到的凝胶，其粒子粒径分布均匀，故而高温热处理制备得到的 HfC 粉体颗粒尺寸相对较小；b 工艺是先在室温下搅拌两小时后旋转蒸发得到凝胶；c 工艺是通过电炉加热并不断手动搅拌，大概 30 min 得到凝胶。因为从工艺 a 到 c 形成凝胶的
图 3-2 不同工艺合成的碳化铪粉体的 XRD 测试图（a：水浴，b：旋转蒸发，c：恒温手动搅拌）Fig 3-2 XRD patterns of hafnium carbide powders obtained by different processes(a: water bath, b: rotary evaporation, c: constant temperature manual stirring)3.4 不同工艺制备得到的碳化铪粉体的形貌分析图 3-3 为不同工艺制备得到的 HfC 粉体的扫描图片（高温热处理温度：170oC，高温热处理时间：5 min）。从图中可以看出，三种溶胶凝胶工艺制备得到的碳化铪粉体颗粒间都存在部分团聚现象，从工艺 a 到 b 到 c，团聚现象越来越明显；并且可以看出 a 图中颗粒粒径分布较为均匀，b 和 c 图中产物颗粒粒径分布不均匀。因为通过磁力搅拌器进行水浴恒温加热得到的凝胶内粒子的均匀性达到了原子级别水平，而通过另外两种溶胶凝胶工艺形成的凝胶粒子分布较为不均，而后在真空高温炉中经过相同的高温热处理条件下，碳原子向 HfO2扩散a 工艺制备得到的 HfC 粉体的颗粒粒径细小且分布均匀。
图 3-3 不同工艺合成的碳化铪粉体的扫描图（a：水浴，b：旋转蒸发，c：恒温手动搅拌）Fig 3-3 SEM images of hafnium carbide powders obtained by different processes(a: water bath, b: rotary evaporation, c: constant temperature manual stirring)3.5 不同溶胶凝胶工艺制备得到的碳化铪粉体的透射分析图 3-4 为不同工艺制备得到的 HfC 粉体的透射图片（高温热处理温度：1700oC，高温热处理时间：5 min）。透射电镜是由电子枪发射的电子束，通过聚光镜将之聚成一束光斑，照射在样品室内的样品上，透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品中较厚的区域或者含有原子数较多的区域对电子吸收较多，在图像上显得比较暗。所以从图中可以得知，颜色较深部分为 HfC 粉体，同时颜色较浅的部分为游离的碳，而且从 a 的高分辨图像中可以看到在碳化铪颗粒外围包了几层碳层。从图中还可以看出，颗粒粒径在逐渐增大；且颗粒之间都存在团聚现象。因为通过电炉进行溶胶凝胶得到的凝胶内粒子分布不均，
本文编号：2785710
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.6;TB383.3
【图文】：
图 3-1 不同工艺制备的热解产物 XRD 测试图（a：水浴，b：旋转蒸发，c：恒温手动搅拌）Fig 3-1 XRD patterns of pyrolysis products obtained by different processes(a: water bath, b: rotary evaporation, c: constant temperature manual stirring)3.3 不同溶胶凝胶工艺对碳化铪粉体物相的影响图 3-2 是通过不同溶胶凝胶工艺制备得到的 HfC 粉体的 XRD 测试图谱（高温热处理温度：1700oC，高温热处理时间：5 min）。从图中可以看出虽然溶胶凝胶工艺不同，在相同的热解工艺以及高温热处理工艺下，均能合成纯相 Hf粉体。但通过软件 Jade 对衍射峰进行峰拟合得知从工艺 a 到 b 到 c，产物粉体颗粒粒径是逐渐增大的。工艺 a 是通过水浴锅在 80oC 下恒温水浴溶胶凝胶得到的凝胶，其粒子粒径分布均匀，故而高温热处理制备得到的 HfC 粉体颗粒尺寸相对较小；b 工艺是先在室温下搅拌两小时后旋转蒸发得到凝胶；c 工艺是通过电炉加热并不断手动搅拌，大概 30 min 得到凝胶。因为从工艺 a 到 c 形成凝胶的
图 3-2 不同工艺合成的碳化铪粉体的 XRD 测试图（a：水浴，b：旋转蒸发，c：恒温手动搅拌）Fig 3-2 XRD patterns of hafnium carbide powders obtained by different processes(a: water bath, b: rotary evaporation, c: constant temperature manual stirring)3.4 不同工艺制备得到的碳化铪粉体的形貌分析图 3-3 为不同工艺制备得到的 HfC 粉体的扫描图片（高温热处理温度：170oC，高温热处理时间：5 min）。从图中可以看出，三种溶胶凝胶工艺制备得到的碳化铪粉体颗粒间都存在部分团聚现象，从工艺 a 到 b 到 c，团聚现象越来越明显；并且可以看出 a 图中颗粒粒径分布较为均匀，b 和 c 图中产物颗粒粒径分布不均匀。因为通过磁力搅拌器进行水浴恒温加热得到的凝胶内粒子的均匀性达到了原子级别水平，而通过另外两种溶胶凝胶工艺形成的凝胶粒子分布较为不均，而后在真空高温炉中经过相同的高温热处理条件下，碳原子向 HfO2扩散a 工艺制备得到的 HfC 粉体的颗粒粒径细小且分布均匀。
图 3-3 不同工艺合成的碳化铪粉体的扫描图（a：水浴，b：旋转蒸发，c：恒温手动搅拌）Fig 3-3 SEM images of hafnium carbide powders obtained by different processes(a: water bath, b: rotary evaporation, c: constant temperature manual stirring)3.5 不同溶胶凝胶工艺制备得到的碳化铪粉体的透射分析图 3-4 为不同工艺制备得到的 HfC 粉体的透射图片（高温热处理温度：1700oC，高温热处理时间：5 min）。透射电镜是由电子枪发射的电子束，通过聚光镜将之聚成一束光斑，照射在样品室内的样品上，透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品中较厚的区域或者含有原子数较多的区域对电子吸收较多，在图像上显得比较暗。所以从图中可以得知，颜色较深部分为 HfC 粉体，同时颜色较浅的部分为游离的碳，而且从 a 的高分辨图像中可以看到在碳化铪颗粒外围包了几层碳层。从图中还可以看出，颗粒粒径在逐渐增大；且颗粒之间都存在团聚现象。因为通过电炉进行溶胶凝胶得到的凝胶内粒子分布不均，
【参考文献】
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本文编号：2785710
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