TiO2+C低温制备高纯度TiC机制

TiC possesses not only many special physical properties, such as high melting point, extreme hardness, and outstanding wear resistance, but also exhibits the electric and heat conductivities. Due to the excellent physical and chemical properties, it is widely used in many high technique fields. Now TiC preparation have many problems, such as energy consume large, high cost and difficult to obtain high purity product. In the study, a simple, low energy consume, low cost, easy high purity obtained method is developed for TiC preparation from the view of coupling reactions of non-equilibrium thermodynamics. The reaction temperature is reduced from 1300℃ to 850℃. The cathode is formed by TiO2 and C pressed. High purity TiC are prepared in CaCl2 molten salt and graphite used for anode. The mechanism and step of the method are studied by the constituted of cathode through O2- solid electrolytes. The reductive and control mechanism of CaCO3 are investigated by electrochemical action of CaCO3 during synthesize process to reveal the purity control principle of TiC. The effect factor of TiC crystal growth are also discussed. The studies provided the theory and technical support to use this method to prepare high pure TiC.

TiC具有高熔点、高硬度、高电导性和导热性以及物理、化学性质稳定的特点，在高技术领域有着很好的应用前景。目前TiC的制备存在能耗大，成本高和获得高纯度困难等问题。本课题从非平衡态热力学耦合角度，提出以石墨为阳极，TiO2+C成型块为阴极，在氯化钙熔盐中低温制备TiC的新思路。实现了TiO2+C低温条件下制备TiC，大大降低了反应温度（从1300℃以上降到850℃）。该方法具有工艺简单、能耗小、成本低、纯度易控制的特点。课题拟通过O2-离子固体电解质构建阴极体系研究该TiC制备方法的机理；弄清TiC的形成历程；探讨制备过程中生成的CaCO3电化学行为，通过弄清其反应机理和控制机制来揭示产物高纯度TiC纯度的控制机制；研究TiC晶体的生长来揭示TiC晶体生长的控制机制。通过上述研究揭示该高纯TiC制备方法的内在机制，为该法的有效应用提供理论支持。

TiC等过渡金属碳化物因特性其在各领域扮演着重要角色，是极具潜力的高温结构材料。特性均匀、高纯度TiC等过渡金属碳化物粉体制备至关重要。传统工艺存在缺陷无法低成本获得高技术要求的产品。本项目是在此背景下提出的。项目完成了任务书中包含的（1）制备碳化钛的阴极过程；（2）碳酸钙的行为和控制机制；（3）碳化钛的形核机理及长大机制等研究内容外，并对碳化铬和碳化钒的制备机理进行了拓展研究。.研究发现二氧化钛-碳电解制备TiC的阴极过程： 第一步是二氧化钛被还原生成TiO•2TiO2和钛酸钙；第二步是钛酸钙被还原生成TiO；第三步是TiO被还原形成金属钛吸附原子并扩散进入石墨形成TiC，第二步和第三步的TiO还原过程是限制步骤。熔盐或阴极片中氧化钙CaO含量的控制是减少阳极二氧化碳溶解形成碳酸钙的关键。电压和温度对TiC的形核速率影响较大，而时间的影响则较小；添加剂钛酸钠的加入大大加快了TiC形核速率，并且添加量和温度的增加也加快了TiC的形核速率。但上述因素对TiC的最终尺寸影响较小，各种因素下制备的TiC尺寸均在5微米左右。五氧化二钒-碳电解制备VCx过程为：V5+→V3+→V2++(C)→V(C)三步完成的不可逆过程；氧化铬-碳电解制备Cr3C2的过程为：Cr3++(C)→Cr3C2一步还原的不可逆过程。.项目研究获得了熔盐电化学法还原金属氧化物制备TiC等过渡金属碳化物的机理，并讨论了其粉体制备工艺条件，为低温、节能，对环境友好的制备特性均匀、高纯度TiC等过渡金属碳化物提供了理论和技术依据。