碳纳米晶-氧化镁/尖晶石复合粉体的机械合金化制备及表征研究

以碳酸盐-金属镁/铝粉末为反应体系，采用机械合金化的方法，常温条件下通过机械力诱导的碳酸盐原位分解还原反应，直接制备具有高分散度的碳纳米晶-氧化镁/尖晶石复合粉体。系统研究机械合金化过程中，工艺参数、催化剂等对碳酸盐原位分解还原反应进程、产物复合粉体物相组成以及纳米碳粒子形貌、结构变化的影响。探索产物复合粉体中纳米碳粒子在不同条件下形貌、结构的变化规律，探明产物纳米碳粒子的石墨化条件并阐明机理，进而优化制备工艺条件，以期达到对产物中纳米碳粒子形貌、尺寸及结构的可控制备。为碳纳米晶-氧化镁/尖晶石复合粉体的低成本、大规模制备以及在高性能低碳含碳耐火材料中的应用打下一定的理论基础，也可为碳纳米晶-氧化物复合材料的开发制备研究提供一定的理论参考。

低碳耐火材料基质中引入可促进树脂碳石墨化转变的纳米尺度可石墨化前躯体，可有效改善和提高低碳耐火材料抗氧化性能、抗剥落性能及抗熔渣渗透、侵蚀性能。但纳米尺度可石墨化前躯体在低碳材料基质中的高度分散十分关键，传统的机械混合方式很难使纳米碳前驱体在材料中均匀分散。因此，提出一种直接制备高分散度纳米晶氧化物-碳复合粉体的方法十分必要。本课题以碱式碳酸镁（Mg(OH)2•4MgCO3•5H2O）、菱镁矿（MgCO3）、金属铝粉、金属镁粉等为主要原料，采用机械合金化的方法，制备了高度分散的纳米晶镁铝尖晶石/氧化镁-碳复合粉体。系统研究了机械力作用下，研磨时间、催化剂等对碳酸盐-金属铝/镁反应体系反应进程、产物复合粉体物相组成以及纳米碳粒子形貌、结构变化的影响。采用XRD，DSC-TG，Raman光谱，气相色谱、HRTEM等手段对反应产物进行了表征分析。并利用上述方法制备的纳米晶尖晶石-碳复合粉体，进行了酚醛树脂改性的探索性研究。研究表明，机械合金化过程中，碳酸盐与金属铝/镁发生了机械力诱导的碳酸盐原位分解还原反应。原料种类、研磨时间对碳酸盐-金属铝/镁反应体系碳酸盐原位分解还原反应进程有重要影响。产物粉体中产物碳的形成及结构演变因反应体系不同而异，主要以无定形碳、2~5nm纳米碳球、结晶石墨片层、以及高度石墨化的束状碳、多壁碳纳米管等结构形态存在。随研磨时间的延长，产物碳粒子逐渐细微化，但其内部晶体结构有进一步趋于完善的倾向；Ni(OH)2的加入有利于产物碳的石墨化；纳米晶尖晶石—碳复合粉体具有较强的促进酚醛树脂碳低温石墨化转变效果。