合成碳化鈦粉末有多種方法,每種方法合成的碳化鈦粉體其粒子大小、粒度、分布、形態(tài)、團聚狀況、純度及化學計量各有不相同。
1. 碳熱還原法
工業(yè)用TiC粉體最初用碳黑還原Ti0)來制備,反應溫度范圍1700-2100℃,反應式如方程:
因為反應物以分散的顆粒存在,反應進行的程度受到反應物接觸面積和炭黑在T 中的分布的限制,使產品中含有未反應的炭和Ti,在還原反應過程中,由于晶粒生長和粒子間的化學鍵合,合成的TiC粉體有較寬的粒度分布范圍,需要球磨加工。反應時間較長,約在10-20小時,反應中由于受擴散梯度的影響使合成的粉體常常不夠純。
2. 直接碳化法
直接碳化法是利用Ti粉和炭分反應生成TiC,反應式如方程:
由于很難制備亞微米級金屬粉,該方法的應用受到限制,上述反應需5—20小時才能完成,且反應過程較難控制,反應物團聚嚴重,需進一步的粉磨加工才能制備出細顆粒TiC粉體。為得到較純的產品還需對球磨后的細粉用化學方法提純。此外,由于金屬鈦粉的價格昂貴,使得合成TiC的成本也高。
3. 化學氣相沉積
該合成法是利用TiCI4,H2和c之間的反應,反應式如方程(3):
反應物與灼熱的鎢或炭單絲接觸而進行反應,TiC晶體直接生長在單絲上,用這種方法合成的TiC粉體,其產量、有時甚至質量嚴格受到限制,此外,由于TiCl4和產物中的HCL有強烈的腐蝕性,合成時要特別謹慎。
4. 高溫自蔓延合成法(SHS)
SHS法源于放熱反應。當加熱到適當的溫度時,細顆粒的Ti粉有很高的反應活性,因此,一旦點燃后產生的燃燒波通過反應物Ti和C,Ti和C就會有足夠的反應熱使之生成TiC,SHS法反應極快,通常不到一秒鐘。該合成法需要高純、微細的Ti粉作原料,而且產量有限。
5. 反應球磨技術制備納米TiC粉體
反應球磨技術是利用金屬或合金粉末在球磨過程中與其他單質或化合物之間的化學反應而制備出所需要材料的技術。用反應球磨技術制備納米材料的主要設備是高能球磨機,其主要用來生產納米晶體材料。反應球磨機理可分為兩類:一是機械誘發(fā)自蔓延高溫合成(SHS)反應,另一類為無明顯放熱的反應球磨,其反應過程緩慢。
6. 微波合成納米TiC
用微波合成TiC粉體。研究表明,用微波合成TiC納米粉體,產物的粒度與所用的原料的粒度有關,同時也與所用原料的結構性能有關。因此,選擇合適的原料和工藝條件,利用微波技術可以較低的溫度條件下(1300':C)合成出團聚少,性能優(yōu)異的納米TiC粉體。
7. 其他幾種實驗方法
反應要在高真空并加熱至2000':C的條件下才能進行。而另一個試驗方法是將Ti置于甲烷CH4氣體中,用多脈沖激光器處理碳化合成TiC粉體。這些方法的能耗較大、成本高、而且制備的粉體其物理、化學特性也不理想。另一種方法是利用碳化熱還原反應的原理,首先裂解丙烯氣體,使裂解后的碳c均勻地沉積在高純、納米級TiC顆粒表面,使反應物接觸面積增大,阻止TiO2顆粒間的團聚,以合成亞微米級(<0.1 )高純的TiC粉體,合成溫度為l550℃,4小時。