爆炸徑向沖擊法制備碳化鈦粉末的研究

尹 政 ，于雁武，劉玉存，郭嘉昒

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051）

炸藥爆炸時能在有限的體積和時間內(nèi)釋放出巨大的能量，產(chǎn)生極高的溫度（3 000～4 000K）和壓強（約1010Pa量級），具有極大的破壞力。20世紀(jì)50年代起爆炸技術(shù)被引入到粉末處理中[1]，由于爆炸沖擊對合成新材料具有獨特的優(yōu)勢，目前該方法已應(yīng)用到了粉末處理、合成超硬材料、新材料的燒結(jié)與焊接等領(lǐng)域。1995年周剛、黃風(fēng)雷[2]運用炸藥爆轟法合成出了超細(xì)金剛石粉末。目前，爆轟法已被運用到多種粉體材料的合成研究中，如超細(xì)石墨粉、碳納米管、氮化物粉體、超細(xì)金屬氧化物粉體等方面的研究[3-6]。由此可見，通過爆轟沖擊法合成超細(xì)粉體材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

碳化鈦是典型的過渡金屬碳化物。研究表明，碳化鈦是非常穩(wěn)定的間隙化合物，它具有高熔點、高硬度、高楊氏模量、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨和耐腐蝕等特性，同時具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。所以碳化鈦在切削刀具、宇航部件、耐磨涂層、泡沫陶瓷和紅外輻射陶瓷材料等方面有著廣泛的用途和巨大的潛力。目前國內(nèi)外合成碳化鈦粉末的方法有：熱還原法[7]、直接碳化法[8]、化學(xué)氣相沉積法[9]、溶膠凝膠法[10]、微波法[11]等。本研究嘗試采用爆炸沖擊法制備碳化鈦，并對產(chǎn)品進(jìn)行表征及性能分析。

1 實驗

實驗材料：單質(zhì)炸藥奧克托今（HMX），化學(xué)名環(huán)四亞甲基四硝胺；二氧化鈦（99.0%，45μm），天津市化學(xué)試劑三廠，分析純；活性碳粉（99.9%，75 μm），天津市福晨化學(xué)試劑廠，分析純。實驗裝置見圖1。將奧克托今壓制成Φ10mm×5mm圓柱，密度為1.80g/cm3。根據(jù)爆炸沖擊波衰減模型[12]進(jìn)行理論計算，確定有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯，密度為1.18 g/cm3）板厚度，進(jìn)而得到所需輸出壓力。將二氧化鈦粉末與碳粉按一定比例混合，壓制成Φ10mm×5mm的圓柱制備前驅(qū)體，密度為1.5g/cm3，實驗室裝入金屬約束外筒內(nèi)。放入自制密閉爆炸容器中進(jìn)行實驗，爆炸沖擊波作用后收集爆轟灰。經(jīng)過初步的篩濾，去除掉鐵屑等大塊雜質(zhì)，得到黑色粉末。黑色粉末經(jīng)王水浸泡24h后變?yōu)楹稚?，最后放入馬弗爐中，在400℃下煅燒400min，最終得到銀灰色粉末。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental device

2 結(jié)果和討論

2.1 外貌表征

圖2為初始收集的爆轟灰與提純后產(chǎn)物的對比圖，從圖中可以看出，經(jīng)過提純處理后的粉末為灰色，符合文獻(xiàn)中報道的碳化鈦粉末顏色。

2.2 SEM表征

由SEM表征結(jié)果得到了爆轟產(chǎn)物的形貌和大小，如圖3所示。爆轟產(chǎn)物呈規(guī)則的顆粒狀，納米顆粒的分散性比較好，且粒徑分布均勻，平均分布在50nm以內(nèi)。從圖3中可以看出爆轟產(chǎn)物的表面形貌有層狀結(jié)構(gòu)。

圖2 樣品外貌圖Fig.2 Appearance graph of samples

圖3 爆轟產(chǎn)物的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of detonation products

2.3 XRD表征

圖4是樣品的XRD圖譜，測試過程采用標(biāo)準(zhǔn)θ～2θ掃描方法，使用銅靶Ka1輻射線，波長為0.154 056nm。

圖4 爆轟產(chǎn)物XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of detonation products

表1列出了XRD譜線對應(yīng)的2θ值、晶面間距dexp值，同時與標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片進(jìn)行了對比分析。

表1 爆轟產(chǎn)物XRD測試結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.1 XRD results of detonation products and related data

XRD測試結(jié)果中共出現(xiàn)了10條特征峰，其中衍射峰3、4、7、8、9、10屬于碳化鈦化合物晶相，衍射峰2、6為殘留二氧化鈦晶體（21-1276和65-0192）衍射峰，1號衍射峰為C70（48-1206）衍射峰，編號為5的最弱衍射峰不與任何已知的鈦碳化合物相符合，說明樣品中可能存在未知的鈦碳化合物結(jié)構(gòu)。

2.4 產(chǎn)物性能分析

用差熱失重測量儀（DSC-TG）分析爆轟產(chǎn)物的性能。DSC-TG曲線測試條件：空氣氣氛，加熱溫度30～1 000℃，升溫率10℃/min，樣品重量4.6mg，置于三氧化二鋁坩堝中。圖5為爆轟產(chǎn)物的DSC-TG曲線圖。從圖5中可以看出在550℃處出現(xiàn)一個明顯的放熱峰，說明在碳化鈦粉末中含有殘留的活性碳粉末，此放熱峰為活性碳被氧化的放熱峰，此結(jié)論與文獻(xiàn)[13]所得結(jié)論相符合。分析圖中的TG曲線，并沒有明顯的失重和增重現(xiàn)象，表明碳化鈦粉末在空氣氣氛下1 000℃范圍內(nèi)可以穩(wěn)定存在。

本實驗所用方法與已有的方法相比較具有如下特點：首先是反應(yīng)速率快，這是爆轟法合成材料粉末的特點；其次是產(chǎn)物分散性好，從圖3中可以看出，爆轟產(chǎn)物的粒度均勻分散性較好，在靜態(tài)合成碳化鈦粉末中，由于反應(yīng)時間長，生成的產(chǎn)物有團(tuán)聚現(xiàn)象且粒度控制不均勻；最后是爆轟產(chǎn)物具有較高的抗氧化性能，本實驗中通過爆轟法合成的碳化鈦粉末在空氣氣氛中1 000℃內(nèi)仍能穩(wěn)定存在，具有很高的抗氧化性，從而提高了碳化鈦粉末的綜合性能。

圖5 爆轟產(chǎn)物DSC-TG曲線圖Fig.5 DSC-TG curves of detonation products

3 結(jié)論

利用炸藥爆炸徑向沖擊法成功制備出了灰色碳化鈦粉末，產(chǎn)物顆粒在50nm以內(nèi)，分散性較好，XRD測試數(shù)據(jù)與理論計算值相符很好，DSC-TG曲線顯示碳化鈦粉末在1 000℃范圍內(nèi)空氣氣氛下穩(wěn)定存在。

[1]李曉杰,王小紅.爆轟法制備納米顆粒的探索[J].材料導(dǎo)報,2007,21(IX):170-172.

[2]周剛.炸藥爆轟合成超細(xì)金剛石機理的研究概況[J].高壓物理學(xué)報,1995,9(2):149-152.

[3]Wissler M.Graphite and carbon powders for electrochemical applications[J].Journal of Power Sources,2006,156(2):142-150.

[4]Seraphin S,Zhou D,Jiao J,et al.Yttrium carbide in nanotubes[J].Nature,1993(362):503-505.

[5]Kripasindhu S,Meenakshi D,Schwenzer B,et al.A simple single-source precursor route to the nanostructures of AlN,GaN and InN[J].Journal of Matericals Chemistry,2005 (15):2 175-2 177.

[6]Li R Y,Li X J,Xie X H.Explosive synthesis of ultrafine Al2O3and effect of temperature of explosion[J].Combustion Explosion and Shock Waves,2006,42(5):607-610.

[7]Thorne K.Tings,Chu C J.Synthesis of TiC via polymeric titanates:the preparation of fibers and thin films[J].Mater.Sci,1992,27(16):4 404-4 416.

[8]D.C.Halvarson,K.H.Ewald,Z.A.Munir.Mechanism of combustion synthesis of TiC[J].Mater.Sci,1993(28):4 583.

[9]郭海明,舒武炳,喬生儒.化學(xué)氣相沉積碳化鈦的熱力學(xué)和動力學(xué)研究[J].材料工程,1998(10):25-29.

[10]Chandra N,Sharma M,Singh D K,Amritphale S S.Synthesis of nanoTiC powder using titanium gel precursor and carbon particles[J].Materials Letters,2009,63(12):1 051-1 053.

[11]胡曉力,劉陽,尹虹.微波合成碳化鈦的研究[J].中國陶瓷工業(yè),2002,19(1):12-15.

[12]王作山,劉玉存,鄭敏,張景林.爆轟沖擊波在有機隔板中衰減模型的研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報,2001,9(4):316-319.

[13]楊曉宏,胡興華,李軍.石油焦系活性炭抗氧化性能研究[J].廣東化工,2012,1(39):25-27.