碳热还原制备Ti（C，N）晶须的研究

摘要

本文以TiO<,2>和碳黑为主要原料，NaCl为卤化剂、YiCl<,2>粉作催化剂、N<,2>为气氛，采用碳热还原法合成了Ti(C,N)晶须。采用X-Ray衍射研究还原温度对合成样品相组成的影响及合成过程中原料的相转变行为；采用扫描电镜观察了不同还原温度和还原时间合成样品粉末和晶须的形貌，采用能谱分析了合成晶须的成分；并检测了合成样品粉末中残留的游离碳和氧含量。主要探讨了还原温度、还原时间对合成样品的相组成、形貌的影响以及合成样品中游离碳和氧含量随还原温度的变化；比较了NaCl、碳黑和NiCl<,2>添加量对合成样品相组成、形貌和晶须产率的影响；分析了Vapor-Liquid-Solid机理即VLS机理生长Ti(C,N)晶须涉及的化学反应，建立了Ti(C,N)晶须生长的模型和动力学方程，并研究了VLS机理生长晶须过程中催化剂属性与晶须直径间的关系。主要结论如下：1、)在1200℃合成时，样品中主要发生TiO<,2>与碳黑、氮气间的直接还原反应形成TiN，此时尚未进行合成Ti(C,N)晶须的催化还原反应；在合成温度为1250～1450℃时，NaCl分解产生的Cl原子与碳黑和TiO<,2>反应生成TiCl<,23>在NiCl<,2>的催化作用，能够合成出Ti(C,N)晶须。在合成温度为1250～1350℃时，合成粉末中残留有一定数量的Ti的氧化物和碳黑；在1400～1500℃合成的粉末为Ti(C,N)和Ni两相组成的混合物。2)保温时间作为的一个重要参数对合成Ti(C,N)晶须同样有着重要的影响。合成时间短，合成粉末中残留大量的氧化物和碳黑，晶须的产率底；随着保温时间的延长，粉末中的TiN相、氧化物消失，游离碳含量明显降低；晶须的产率增加。3)在原料粉末中添加NaCl主要有两个作用：(a)产生合成晶须必备的气相物质TiCl<,23>；(b)抑制TiO<,2>、C和N<,2>间直接还原反应。较低的碳黑添加量不利于Ti氧化物的还原，较高的碳黑添加量会导致合成的粉末中残留一定数量的碳，Ti(C,N)晶须中C、N原子含量比将随原料粉末中碳黑添加量变化而改变。催化剂的添加量对晶须的长度明显影响，在原料中添加3.77％(质量分数)催化剂的情况下，合成的晶须长度达到40μm；在原料中添加8.93％(质量分数)催化剂的情况下，晶须的长度在10-15μm左右。4)基于VLS机理生长Ti(C,N)晶须的过程建立了Ti(C,N)晶须生长模型，并通过对Ti(C,N)晶须生长动力学方程：R=(hv/πr<'2>)exp(-ΔG<,f>/kT)·δ，分析发现在还原温度确定的情况下，决定晶须生长速率的是催化剂的过饱和度和晶须的直径；催化剂液滴与晶须间的表面张力和催化剂液滴体积决定VLS机理生长晶须直径。5)碳热还原法合成Ti(C，N)晶须的最佳合成工艺为1400℃保温180min，NaCl、碳黑最佳添加量分别为42.72％、14.56％。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

第二章实验过程及方案

2.1实验原料

2.2实验设备

2.2.1分析天平

2.2.2球磨机

2.2.3干燥箱

2.2.4真空炉

2.3工艺流程及控制因素

2.3.1工艺流程

2.3.2控制因素

2.4实验方案的选择及依据

2.4.1原料成分的选择

2.4.2合成温度的选择

2.4.3合成时间的选择

2.5分析测试手段及目的

2.5.1 XRD物相分析

2.5.2 SEM分析

2.5.3游离碳和氧含量分析

2.5.4 EDS成分分析

第三章合成工艺的影响

前言

3.1实验

3.2合成温度对样品的影响

3.2.1合成温度对相组成的影响

3.2.2温度对合成粉末产物形貌的影响

3.2.3温度对晶须形貌的影响

3.2.4温度对游离碳和氧含量影响

3.3保温时间对粉末相组成与形貌的影响

3.3.1对样品相组成的影响

3.3.2对合成样品形貌的影响

3.4本章小结

第四章NaCl、碳黑和NiCl2添加量对合成的影响

前言

4.1结果与讨论

4.1.1 NaCl添加量的影响

4.1.2碳黑添加量的影响

4.1.3催化剂添加量的影响

4.2本章结论

第五章Ti(C，N)晶须生长机理

前言

5.1 VLS机理生长Ti(C，N)晶须涉及的化学反应

5.2 VLS机理生长Ti(C，N)晶须的过程及模型

5.3晶须生长的动力学分析

5.3催化剂对VLS机理生长Ti(C，N)晶须直径的影响

5.3.1理论分析

5.3.2实例分析

5.4本章结论

第六章结论

参考文献

致谢

硕士研究生期间公开发表的学术论文