CN103601189A - 二碳化钼钨的高温高压制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的二碳化钼钨的高温高压制备方法，属于高温导电钼钨三元碳化物制备的技术领域。制备过程为将钼粉、钨粉和碳粉进行混合，按合成腔体大小压成圆柱状；将块状圆柱状原料装入加热容器，放入合成腔体中，在压力为2.0～6.0GPa、温度为1800～2000K下保温保压15～60分钟；最后冷却卸压，制得二碳化钼钨块状材料。本发明工艺流程简单，缩短了制备周期和烧结时间；不需要二元的碳化物做为原料；不需要任何如金属铝助熔剂；通过调节单质原料的配比、温度和压力来提高二碳化钼钨的纯度，并制备出了较高纯度的块体二碳化钼钨材料。

Description

二碳化钼钨的高温高压制备方法
技术领域
本发明属于高温导电硬陶瓷材料钼钨三元碳化物制备的技术领域，涉及二碳化钼钨（MoWC2）高温高压的制备方法。
背景技术
碳化物陶瓷是一种高熔点化合物，并具有高硬度、高热导和电导特性、良好的化学稳定性、抗腐蚀性等优点，主要以单相或者复合结构已经在各种耐高温、耐磨擦和耐腐蚀的机械领域得到应用。第Ⅵ族过渡金属碳化物具有某些贵金属的催化性质，此类材料在油品的的加氢精制、脱硫、脱氮和燃料电池触媒电极方面同样具有与贵金属相比拟的催化活性和选择性，该种碳化物比贵金属价格低廉，且又具有优良的抗一氧化碳和硫中毒的性能，因此被誉为取代铂族贵金属的“准铂催化剂”。以硬质合金碳化钨（WC）为代表的碳化物陶瓷，存在硬度高、强度高的优越性能，大部分用于需要耐磨损和特种加工的行业，并且在医疗器械方向也有一定的应用。但在制作WC过程中，为了增强材料的力学性能，一般需要使用金属粘接剂，金属粘结剂可以提高陶瓷的力学性能，但是同时容易被腐蚀。无粘结剂的碳化物陶瓷，由于具有更好的耐腐蚀性能，已经作为传统硬质合金的替代品，广泛使用于腐蚀环境。此外，该类陶瓷应用于磨损材料时，还具有比其他陶瓷材料更优异的耐高压力和高速滑动摩擦。
一般而言，无粘接剂碳化物陶瓷是由两种或者两种以上不同的碳化物烧结制备而成。即制备这类陶瓷材料，首先需要制备出不同的碳化物原材料，其次还需要混料、热压高温烧结等复杂的技术环节。因此，制备过程中不同碳化物原材料的粒径、混合均匀性、两相界面等因素对最终制备的陶瓷材料性能有很大的影响。直接利用单质元素，制备无粘接剂陶瓷材料，还未见报道。发展一种新的制备方法，对于提高该类陶瓷材料的性能，推广其应用均有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，采用高温高压合成方法制备无界面、无粘接剂碳化物陶瓷材料。该方法不需要二元碳化物——碳化钼和碳化钨——做为原料、不采用任何降低合成条件的助熔剂，直接通过不同单质成分的混合，通过调节合成温度和压力来调整二碳化钼钨的材料组分及纯度，制备出高纯度块体无界面二碳化钼钨陶瓷材料。
本发明的具体技术方案如下所述。
一种二碳化钼钨的高温高压制备方法，以钼粉（Mo）、钨粉（W）和碳粉（C）三种单质为原料，经原料混合、压块、组装、高温高压合成、冷却卸压的工艺过程制得二碳化钼钨块状材料；所述的原料混合，是将钼粉、钨粉和碳粉按摩尔比1∶1∶2～2.4进行混合；所述的压块，是指利用液压机按合成腔体大小将混合物的原料压成圆柱状；所述的组装，是将块状圆柱状原料装入加热容器，放入合成腔体中；所述的高温高压合成，是在压力为2.0～6.0GPa、温度为1800～2000K下保温保压15～60分钟；所述的冷却卸压，是停止通电加热后组装块自然冷却至常温，然后卸压。
本发明的实验可以在国产DS029B型六面顶压机上完成。实验结果表明，合成压力的大小、温度、原材料的配比是影响合成的二碳化钼钨纯度和性质的重要因素。由实施例1～3可以看出，优选的制备条件是：钼粉、钨粉和碳粉按摩尔比1∶1∶2.4，合成压力范围为5.0GPa，合成温度范围为1800～2000K，保温保压15～60分钟。
为了保证在合成样品的过程当中合成腔体温度的均匀性，本方法采用的加热方式是通电石墨管旁热式加热；为了保证样品不与产生热量的石墨管发生反应，合成样品的腔体采用六角氮化硼保护。
本发明工艺流程简单；不需要二元的碳化物做为原料；不需要任何（比如金属铝等）助熔剂；通过调节单质原料的配比、温度和压力来提高二碳化钼钨的纯度，并制备出了较高纯度的块体二碳化钼钨材料。本发明方法大大缩短了传统方法的制备周期和烧结的时间，合成的块体材料有利于优化其物理和机械性能。
附图说明
图1是实施例1制备的二碳化钼钨化合物X光衍射图。
图2是实施例2制备的二碳化钼钨化合物X光衍射图。
图3是实施例3制备的二碳化钼钨化合物X光衍射图。
图4是实施例4制备的二碳化钼钨化合物X光衍射图。
图5是实施例5制备的二碳化钼钨化合物X光衍射图。
图6是实施例6制备的二碳化钼钨化合物X光衍射图。
图7是比较例1制备的二碳化钼钨化合物X光衍射图。
图8是比较例2制备的二碳化钼钨化合物X光衍射图。
图9是比较例3制备的二碳化钼钨化合物X光衍射图。
具体实施方式
实施例1
将分析纯粒度1～5微米的钼粉（Mo）、粒度1～5微米的钨粉（W）与粒度1～5微米的碳粉（C）按摩尔比1∶1∶2.4充分混合，利用液压机粉压成型后，将样品装入合成腔体当中。组装腔体中采用石墨热管，用叶腊石做保温材料，利用六角氮化硼保护腔体，合成压力为5.0GPa，合成温度为1800K，保温保压时间为60分钟，停止加热后样品自然冷却至室温后卸压，此条件制备出的二碳化钼钨具体的X光衍射结果见图1。
实施例2
采用与实施例1相同的原材料，按照按摩尔比1∶1∶2.4混合，粉样品压制成型后采用与实施例1相同的组装，合成压力为5.0GPa，合成温度为2000K，保压保温时间15分钟，停止加热后样品自然冷却至室温后卸压，此条件制备出纯相MoWC2。结合以上两例可以知道，升高温度可以缩短反应时间。具体的X光衍射结果见图2。
实施例3
采用与实施例1相同的原材料，按照按摩尔比1∶1∶2.4混合，粉样品压制成型后采用与实施例1相同的组装，合成压力为5.0GPa，合成温度为2000K，保压保温时间30分钟，停止加热后样品自然冷却至室温后卸压。此条件下合成出了纯度较高的二碳化钼钨。具体的X光衍射结果见图3。
实施例4
采用与实施例1相同的原材料，按照按摩尔比1∶1∶2.4混合，粉样品压制成型后采用与实施例1相同的组装，合成压力为6.0GPa，合成温度为2000K，保压保温时间15分钟，停止加热后样品自然冷却至室温后卸压。此条件下制备出的二碳化钼钨含有碳化钼钨和碳的杂质。具体的X光衍射结果见图4。
实施例5
采用与实施例1相同的原材料，按照按摩尔比1∶1∶2混合，粉样品压制成型后采用与实施例1相同的组装，合成压力为5.0GPa，合成温度为2000K，保压保温时间30分钟，停止加热后样品自然冷却至室温后卸压。此条件下合成的二碳化钼钨中含有少量的碳和碳化钼钨的杂质。具体的X光衍射结果见图5。
碳粉在原料中的摩尔比低于2，将对合成产物纯度有较大的影响。
实施例6
采用与实施例1相同的原材料，按照按摩尔比1∶1∶2.4混合，粉样品压制成型后采用与实施例1相同的组装，合成压力为2.0GPa，合成温度为2000K，保压保温时间60分钟，停止加热后样品自然冷却至室温后卸压。此条件下合成出了二碳化钨钼这种物质，但是样品中混有一定量的碳化钨钼这种杂质。具体的X光衍射结果见图6。
比较例1
采用与实施例1相同的原材料，按照按摩尔比1∶1∶2.4混合，粉样品压制成型后采用与实施例1相同的组装，合成压力为5.0GPa，合成温度为1600K，保压保温时间60分钟，停止加热后样品自然冷却至室温后卸压。此条件下合成的样品中含有大量的金属和碳，但出现了二碳化钼钨这种物质。具体的X光衍射结果见图7。
比较例2
采用与实施例1相同的原材料，按照按摩尔比1∶1∶2.4混合，粉样品压制成型后采用与实施例1相同的组装，合成压力为5.0GPa，合成温度为1300K，保压保温时间45分钟，停止加热后样品自然冷却至室温后卸压。此条件下金属峰和碳峰较强，出现了二碳化钼钨和碳化钼钨的峰。具体的X光衍射结果见图8。
比较例3
采用与实施例1相同的原材料，按照按摩尔比1∶1∶2.4混合，粉压成型后采用实施例1的组装，合成压力为5.0GPa，温度2200K，保压保温时间60分钟，停止加热后样品自然冷却至室温后卸压，此条件制备出的为二碳化钼钨和碳化钼钨的混合相，此外还有一个不明物质的杂峰。具体的X光衍射结果见图9。
比较例1和比较例2由于合成温度过低，产生了金属和碳杂质；比较例3由于合成温度过高，产物中不仅有碳化钼钨存在，而且出现了不明物质的杂质。

Claims (3)

1.一种二碳化钼钨的高温高压制备方法，以钼粉、钨粉和碳粉为原料，经原料混合、压块、组装、高温高压合成、冷却卸压的工艺过程制得二碳化钼钨块状材料；所述的原料混合，是将钼粉、钨粉和碳粉按摩尔比1∶1∶2～2.4进行混合；所述的压块，是指利用液压机按合成腔体大小将混合物的原料压成圆柱状；所述的组装，是将块状圆柱状原料装入加热容器，放入合成腔体中；所述的高温高压合成，是在压力为2.0～6.0GPa、温度为1800～2000K下保温保压15～60分钟；所述的冷却卸压，是停止通电加热后组装块自然冷却至常温，然后卸压。
2.根据权利要求1所述的二碳化钼钨的高温高压制备方法，其特征是，所述的原料混合，是将钼粉、钨粉和碳粉按摩尔比1∶1∶2.4进行混合；所述的高温高压合成，是在压力为5.0GPa、温度为1800～2000K下保温保压15～60分钟。
3.根据权利要求1或2所述的二碳化钼钨的高温高压制备方法，其特征是，所述的原料，是粒度1～5微米的钼粉、粒度1～5微米的钨粉和粒度1～5微米的碳粉。
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