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固體所在低碳含量碳化鎢納米粉體研究方面取得進(jìn)展

發(fā)布日期:2024-04-20 作者:高新燦 瀏覽次數(shù):444

近期,中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部熱控功能材料研究團(tuán)隊(duì)在碳化鎢納米粉體的合成方面取得新進(jìn)展,成功解決了液相法制備粉體材料游離碳含量較高的問題,相關(guān)成果以“Synthesis of ultrafine WC ceramic powders with reduced carbon content by liquid phase precursor method and the sintering behaviors”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Ceramics International (Ceram. Int., 50, 9, 15134(2024))上。

碳化鎢(WC)材料被廣泛用作航天航空、新能源等精密加工制造領(lǐng)域的切削工具。然而,隨著鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料的發(fā)展,WC類切削刀具在使用過程中逐漸出現(xiàn)切削溫度高、切削力大以及刀具磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象,進(jìn)而對(duì)WC基硬質(zhì)合金的力學(xué)性能提出新要求。根據(jù)以往的研究發(fā)現(xiàn),低游離碳含量以及超細(xì)晶粒尺寸可以顯著提高WC的硬度等力學(xué)性能。液相法是合成高純超細(xì)WC粉體的有效工藝途徑,然而,液相法中所使用的碳源一般為有機(jī)物,復(fù)雜的化學(xué)絡(luò)合反應(yīng)以及熱解反應(yīng)會(huì)使WC粉體產(chǎn)品中有高含量的游離碳。因此,如何優(yōu)化液相法制備低游離碳含量的高純超細(xì)WC粉體具有重要意義。

針對(duì)上述問題,固體所研究人員提出采用偏鎢酸氨水合物(Ammonium Metatungstate,AMT)來優(yōu)化以W、O、C為主要元素的分子級(jí)前驅(qū)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這一過程中,AMT經(jīng)過與液相中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物HCl反應(yīng)而均勻的溶解其中,利用其自身的W和O元素來消耗液相法多余的碳含量,以此來實(shí)現(xiàn)低游離碳含量WC粉體的制備。再經(jīng)過碳熱還原和滲碳反應(yīng),將WC產(chǎn)物中游離碳含量從5.7 wt.%降低至1.1 wt.%,獲得了粒徑<200 nm的高純WC粉體。此外,研究人員發(fā)現(xiàn)類球形WC顆粒形貌是由直徑較細(xì)的纖維狀或棒狀中間熱解產(chǎn)物經(jīng)過裂解及滲碳過程所誘導(dǎo)形成的。隨著游離碳含量的降低,WC陶瓷塊體的相對(duì)致密度從41.6%提高至90.2%,同時(shí)其硬度值在1 Kg的載荷下,從2.5 GPa提升至19.3 GPa。力學(xué)性能的顯著提高說明游離碳的降低對(duì)WC陶瓷的燒結(jié)性能具有良好的改善。

該工作闡明了液相法合成WC粉體過程中前驅(qū)體原料絡(luò)合機(jī)制和WC粉體的降碳機(jī)理,為具有低游離碳含量的高純超細(xì)陶瓷粉體材料的研制提供了新思路。

上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項(xiàng)、合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金等項(xiàng)目的支持。論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.01.432 


圖1. WC前驅(qū)體的反應(yīng)機(jī)理和煅燒過程示意圖。

圖2. 不同游離碳含量的WC粉末樣品SEM圖像:(a)WC-0A,(b)WC-3A,(c)WC-4A;三種WC粉體的放電等離子燒結(jié)試樣的(d)游離碳含量,(e)光學(xué)圖像,(f)相對(duì)密度和硬度;(g-h)不同燒結(jié)樣品的SEM圖像。