碳熱還原制備Ti（C，N）晶須的研究.pdf

1、本文以TiO<,2>和碳黑為主要原料，NaCl為鹵化劑、YiCl<,2>粉作催化劑、N<,2>為氣氛，采用碳熱還原法合成了Ti(C,N)晶須。采用X-Ray衍射研究還原溫度對(duì)合成樣品相組成的影響及合成過(guò)程中原料的相轉(zhuǎn)變行為；采用掃描電鏡觀察了不同還原溫度和還原時(shí)間合成樣品粉末和晶須的形貌，采用能譜分析了合成晶須的成分；并檢測(cè)了合成樣品粉末中殘留的游離碳和氧含量。主要探討了還原溫度、還原時(shí)間對(duì)合成樣品的相組成、形貌的影響以及合成樣品中游離

2、碳和氧含量隨還原溫度的變化；比較了NaCl、碳黑和NiCl<,2>添加量對(duì)合成樣品相組成、形貌和晶須產(chǎn)率的影響；分析了Vapor-Liquid-Solid機(jī)理即VLS機(jī)理生長(zhǎng)Ti(C,N)晶須涉及的化學(xué)反應(yīng)，建立了Ti(C,N)晶須生長(zhǎng)的模型和動(dòng)力學(xué)方程，并研究了VLS機(jī)理生長(zhǎng)晶須過(guò)程中催化劑屬性與晶須直徑間的關(guān)系。主要結(jié)論如下：1、)在1200℃合成時(shí)，樣品中主要發(fā)生TiO<,2>與碳黑、氮?dú)忾g的直接還原反應(yīng)形成TiN，此時(shí)尚未進(jìn)行合

3、成Ti(C,N)晶須的催化還原反應(yīng)；在合成溫度為1250～1450℃時(shí)，NaCl分解產(chǎn)生的Cl原子與碳黑和TiO<,2>反應(yīng)生成TiCl<,23>在NiCl<,2>的催化作用，能夠合成出Ti(C,N)晶須。在合成溫度為1250～1350℃時(shí)，合成粉末中殘留有一定數(shù)量的Ti的氧化物和碳黑；在1400～1500℃合成的粉末為T(mén)i(C,N)和Ni兩相組成的混合物。2)保溫時(shí)間作為的一個(gè)重要參數(shù)對(duì)合成Ti(C,N)晶須同樣有著重要的影響。合成時(shí)

4、間短，合成粉末中殘留大量的氧化物和碳黑，晶須的產(chǎn)率底；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，粉末中的TiN相、氧化物消失，游離碳含量明顯降低；晶須的產(chǎn)率增加。3)在原料粉末中添加NaCl主要有兩個(gè)作用：(a)產(chǎn)生合成晶須必備的氣相物質(zhì)TiCl<,23>；(b)抑制TiO<,2>、C和N<,2>間直接還原反應(yīng)。較低的碳黑添加量不利于Ti氧化物的還原，較高的碳黑添加量會(huì)導(dǎo)致合成的粉末中殘留一定數(shù)量的碳，Ti(C,N)晶須中C、N原子含量比將隨原料粉末中碳黑添

5、加量變化而改變。催化劑的添加量對(duì)晶須的長(zhǎng)度明顯影響，在原料中添加3.77％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))催化劑的情況下，合成的晶須長(zhǎng)度達(dá)到40μm；在原料中添加8.93％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))催化劑的情況下，晶須的長(zhǎng)度在10-15μm左右。4)基于VLS機(jī)理生長(zhǎng)Ti(C,N)晶須的過(guò)程建立了Ti(C,N)晶須生長(zhǎng)模型，并通過(guò)對(duì)Ti(C,N)晶須生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程：R=(hv/πr<'2>)exp(-ΔG<,f>/kT)·δ，分析發(fā)現(xiàn)在還原溫度確定的情況下，決定晶須生長(zhǎng)