微波法原位合成V8C7-Cr3C2纳米复合粉末的热动力学及机理研究

Vanadium and chromium carbides nano-composite powders have the advantages of high stiffness, high strength, high abrasion resistance and oxidation resistance, which have important application values in high performance cemented carbides and superhard materials. To obtain nano-composite carbides with high purity and well dispersibility is the key problem to realize its industrial application and to significantly improve material performance. This project will combine the thermodynamics calculation and kinetics experiment, systematically study controllable in situ synthesis technology and its mechanism of vanadium and chromium carbides nano-composite powders. Firstly, two thermodynamics research methods of classical and Φ function methods will be adopted to research the temperature conditions of microwave synthesis and quantitatively forecast the reaction degrees. Secondly, kinetics analysis on the reaction process will be performed by using unconstant temperature and chemical reaction methods, and the reaction mechanism will be comprehensively revealed. Finally, in situ synthesized mechanism of nanoscale composite carbides and influence factors on products properties will be explored by studying the change rule of dielectric loss, dielectric constant, product composition and structure. The controllable reaction mechanism of microwave synthesis of nano composite carbides and the key factors affecting the purity, dispersibility and microstructure will be obtained. The breakthrough of the key problem will provide important theoretical basis for the in situ preparation of nanometer composite carbides, and key technical support for the innovation preparation and application of high-quality nano composite carbides.

纳米碳化钒/铬复合粉末兼有高硬度、高强度、高耐磨和抗氧化等优点，在高性能硬质合金和超硬材料领域具有重要应用价值。获得具有高纯度和良好分散性的纳米复合碳化物是实现其工业化应用、显著提升材料性能的关键问题。本课题拟结合热力学计算和动力学实验，系统研究纳米碳化钒/铬复合粉末的可控原位合成技术及其机理。首先采用经典法和Φ函数法两种热力学计算方法，研究微波合成的温度条件，定量化预测反应难易程度。然后采用不定温和化学反应法研究合成过程的动力学，全面揭示反应机制。最后通过研究介质损耗和介电常数变化特点及产物组成和结构变化规律等，探究原位合成纳米尺度复合碳化物的机理及产物性质的影响因素。研究结果将获得微波合成纳米复合碳化物的可控反应机理及影响产物纯度、分散性和微观结构等的关键因素。该课题关键问题的突破将为原位法制备纳米复合碳化物提供重要理论依据，并为高品质纳米复合碳化物的创新制备及应用提供关键技术支撑。

纳米碳化钒/铬复合粉末兼有高硬度、高强度、高耐磨和抗氧化等优点，在高性能硬质合金和超硬材料领域具有重要应用价值。获得具有高纯度和良好分散性的纳米复合碳化物是实现其工业化应用、显著提升材料性能的关键问题。本课题拟结合热力学计算和动力学实验，系统研究纳米碳化钒/铬复合粉末的可控原位合成技术及其机理。研究发现：. （1）以纳米氧化钒、纳米氧化铬和纳米碳黑粉末为原材料，采用微波加热原位合成方法可在1100℃、 1h的条件下合成纳米碳化钒/铬复合粉末。反应产物主要由Cr3C2、V3Cr2C5和Cr2VC2组成，颗粒形状为球形或者类球形，分散性良好，无明显的团聚现象发生，平均颗粒尺寸为30nm左右。与传统的碳热还原法相比，反应温度降低了将近400℃，反应时间缩短了近3h。. （2）热力学分析表明：以V2O5(Cr2O3)为钒（铬）源制备碳化钒（铬）时，V2O5(Cr2O3)不会直接碳化成碳化钒（铬），会发生高价氧化物向低价氧化物的逐级氧化还原反应，然后由低价氧化物转化成碳化钒（铬）；降低CO的分压，可以降低反应温度，随着CO分压的降低，还原温度逐渐降低。. （3）纳米碳化钒/铬复合粉末在制备过程中的物相演变规律为：V2O5→V2O3→VO→VCxOz→Cr2VC2→V3Cr2C5，Cr2O3→Cr2VC2→V3Cr2C5，Cr2O3→Cr3C2-x→Cr3C2。. （4）采用KAS法进行动力学分析，发现碳化钒的反应活化能为654.27KJ/mol，指前因子为1.381×1022；碳化铬的反应的活化能为385.24kJ/mol，指前因子为1.82×108。. （5）将合成的纳米碳化钒/铬复合粉末作为晶粒抑制剂添加到WC-8Co硬质合金中进行试验，结果表明，纳米碳化钒/铬复合粉末可以有效细化硬质合金的晶粒尺寸，优化硬质合金的显微结构，减小孔隙缺陷，提高硬质合金的综合性能。. （6）本项目通过对纳米碳化钒/铬复合粉末的热力学、反应动力学、制备工艺和微观结构的研究，揭示了相关反应机制及其纯度、粒度、分散性和显微结构与合成工艺、影响因素等之间的内在关系，探讨了从氧化物到复合碳化物的形成机理。. 上述研究将为原位法制备纳米复合碳化物提供重要理论依据，并为高品质纳米复合碳化物的创新制备及应用提供关键技术支撑。