本發(fā)明屬于無機(jī)納米材料制備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無定形氮化釩納米顆粒的制備方法。

背景技術(shù)：

氮化釩(vn)，別名釩氮合金，屬于新型合金，作為一種添加劑替代釩鐵用于微合金化鋼的生產(chǎn)，能夠最大程度地提高鋼的強(qiáng)度、韌性、延展性及抗熱疲勞性等綜合機(jī)械性能，并使鋼具有良好的耐高溫性和焊接性。vn作為一種高強(qiáng)度低合金鋼經(jīng)濟(jì)有效的添加劑，已成為材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，并具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。目前，制備氮化釩的方法主要有高溫真空法和高溫非真空法兩類，多以三氧化二釩，五氧化二釩以及偏釩酸銨、多釩酸銨等為原料，以碳質(zhì)、氫氣、氨氣、一氧化碳等為還原劑，再經(jīng)氮?dú)饣蛘甙睔膺M(jìn)行氮化，最終合成氮化釩。現(xiàn)有制備vn的方法一般先獲得中間產(chǎn)物，再經(jīng)氮化后得到氮化釩，因設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、條件苛刻、步驟繁瑣、制備難度大，生產(chǎn)周期長，可重復(fù)性差、成本過高等缺點(diǎn)，阻礙了vn納米材料的實(shí)際應(yīng)用。

采用直流電弧等離子體放電法可以解決上述問題。本發(fā)明中，當(dāng)電路電壓不低于10v，電流不小于80a，就可產(chǎn)生兩極間放電現(xiàn)象，電流通過絕緣介質(zhì)(氮?dú)?產(chǎn)生瞬間火花，使電能轉(zhuǎn)化為熱能和光能?；」獾母邷厥紫仁够≈械母鞣N原子電離，當(dāng)這些離子離開弧柱時(shí)，溫度急劇下降而飽和，離化的混合離子就會(huì)以某種方式組合成相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。用直流電弧等離子體放電法制備氮化釩納米顆粒，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、易操作，并且納米顆粒合成速度快、純度高、種類多、活性強(qiáng)，適合于工業(yè)化批量生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題，是克服現(xiàn)有技術(shù)合成氮化釩過程中產(chǎn)量低、過程復(fù)雜、制備條件苛刻等不足，提供一種直流電弧制備無定形氮化釩納米顆粒的方法，是一種簡單高效、穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)的制備方法。

本發(fā)明所用的直流電弧放電裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。圖1中1為玻璃真空鐘罩，2為冷凝壁，是套筒式結(jié)構(gòu)以便通循環(huán)冷卻水，3為鎢棒陰極，4為內(nèi)嵌石墨鍋(與銅鍋一起構(gòu)成陽極)，5為銅鍋陽極，銅鍋陽極也有夾層以便通循環(huán)冷卻水，6為進(jìn)水口，7為出水口，8為進(jìn)氣口，9為出氣口。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種無定形氮化釩納米顆粒的制備方法，在直流電弧放電裝置中進(jìn)行制備；首先將金屬釩粉末壓成形狀大小與石墨鍋契合的金屬釩片，把金屬釩片放入石墨鍋，再把石墨鍋放入直流電弧反應(yīng)腔室的陽極銅鍋中，陰極鎢棒固定懸于石墨鍋上方，并將反應(yīng)腔室處于真空狀態(tài)；其次，在冷凝壁套筒和陽極銅鍋夾層中通入循環(huán)冷卻水，向反應(yīng)腔室通入氮?dú)?，再進(jìn)行起弧放電，保持電流80～100a，反應(yīng)15～30分鐘后切斷電源；最后繼續(xù)通循環(huán)冷卻水，并在氮?dú)鈿夥罩欣鋮s至室溫，在石墨鍋處收集樣品，獲得純凈的無定形氮化釩納米顆粒。

所述的反應(yīng)腔室通入氮?dú)?，是使反?yīng)腔室內(nèi)氮?dú)鈿鈮荷?0kpa并保持不變。

起弧放電過程中，在冷凝壁套筒和陽極銅鍋夾層中通入循環(huán)冷卻水是制備氮化釩的必要條件。一方面，由于冷卻水的作用，使反應(yīng)腔內(nèi)各處與極間區(qū)域產(chǎn)生反應(yīng)環(huán)境所需的溫度梯度場(chǎng)。另一方面，當(dāng)切斷高壓電源后，石墨鍋仍具有很高的溫度，保持循環(huán)冷卻水開路，降溫的同時(shí)也起到淬火的作用。伴隨氮?dú)鈿夥罩械拟g化，最終可得到純凈無雜質(zhì)的無定形氮化釩納米顆粒。

所述的在氮?dú)鈿夥罩欣鋮s，是在氮?dú)鈿夥罩欣鋮s鈍化6小時(shí)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：本發(fā)明采用直流電弧等離子放電法一步制備無定形氮化釩納米顆粒，制備工藝簡單、易于操作，生產(chǎn)周期短、可重復(fù)性強(qiáng)、成本低廉、產(chǎn)物純度高，有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1直流電弧等離子體放電裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2無定形vn納米顆粒的x射線衍射(xrd)譜圖。

圖3無定形vn納米顆粒的掃描式電子顯微鏡(sem)圖。

圖4無定形vn納米顆粒的局部掃描式電子顯微鏡(sem)放大圖。圖中長方形區(qū)域?yàn)殡娮幽茏V的選區(qū)。

圖5無定形vn納米顆粒的選區(qū)電子能譜分析(eds)圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)更易于理解，下面結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳盡闡述。但以下關(guān)于實(shí)施例的描述及說明對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。

實(shí)施例1

稱量3.2g高純金屬釩粉末，用壓片機(jī)壓成高7mm，直徑12mm的圓柱形金屬釩片；把金屬釩片放入和自身形狀大小完全契合的石墨鍋內(nèi)，再把石墨鍋放入直流電弧反應(yīng)腔室的陽極銅鍋中，陰極鎢棒固定懸于石墨鍋正中間上方1.5cm處，將反應(yīng)腔室處于真空狀態(tài)；循環(huán)冷卻水保護(hù)狀態(tài)下，通入反應(yīng)氣氮?dú)?0kpa，進(jìn)行起弧放電，保持電流90a，反應(yīng)15～30分鐘后切斷電源，在氮?dú)鈿夥罩欣鋮s鈍化6小時(shí)(基本冷卻到室溫)，在石墨鍋處收集樣品，可獲得純凈的無定形氮化釩納米顆粒。

圖2是本實(shí)施例制得的無定形vn納米顆粒的x射線衍射(xrd)譜圖，所有衍射峰位置與jcpds標(biāo)準(zhǔn)卡片比對(duì)可知，沒有發(fā)現(xiàn)雜相峰，具體衍射晶面已標(biāo)注于圖中，獲得的產(chǎn)物純凈無雜質(zhì)，為面心立方結(jié)構(gòu)的氮化釩。無定形vn納米顆粒掃描式電子顯微鏡(sem)譜圖見圖3所示，產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)單元單分散性較好、形貌均一、表面清潔無雜質(zhì)。圖4給出無定形vn納米顆粒的局部掃描式電子顯微鏡(sem)放大圖。晶形為無定形納米顆粒，顆粒尺寸為500nm。圖5為無定形vn納米顆粒的選區(qū)電子能譜分析(eds)譜圖，由圖表測(cè)算可知，無定形vn納米顆粒只由v和n兩種元素組成，且原子比例接近1:1，與xrd獲得的數(shù)據(jù)很好的吻合。

在氮?dú)鈿鈮?0kpa條件下，放電電流比90a高10a和低10a的范圍內(nèi)，也能夠得到純凈無雜質(zhì)的無定形氮化釩納米顆粒。

以上所述的實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明的一種無定形氮化釩納米顆粒的制備方法，屬于無機(jī)納米材料制備的領(lǐng)域。制備過程是將金屬釩粉末壓制成圓柱狀金屬釩片，將金屬釩片放入和自身形狀大小契合的石墨鍋內(nèi)，石墨鍋內(nèi)嵌于直流電弧反應(yīng)腔室的陽極銅鍋中，陰極鎢棒懸于石墨鍋正上方；在冷凝壁套筒和陽極銅鍋夾層中通入循環(huán)冷卻水，向反應(yīng)腔室通入氮?dú)?，進(jìn)行起弧放電，保持電流80～100A；切斷電源后，在氮?dú)鈿夥罩欣鋮s鈍化6小時(shí)，獲得顆粒尺寸約為500nm純凈的無定形氮化釩納米顆粒。本發(fā)明制備工藝簡單高效穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)，重復(fù)性高，產(chǎn)物純度高，有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：高偉;孫多;李鑫;殷紅;韓作良;高麗瑩;李鑫峽
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.11
技術(shù)公布日：2017.08.01