纳米碳（氮）化物的制备与应用

1.本书主要介绍了前驱体碳化法、微波加热法、微波-机械合金化等制备纳米碳（氮）化物的方法，探究了反应温度、保温时间、升温速率等工艺参数对纳米碳（氮）化物的微观结构及性能影响，揭示了纳米碳（氮）化物的热动力学及反应机制。涉及纳米碳（氮）化钒（铬）的制备、热动力学、反应机理及其应用等。 2.书中内容大多基于作者的研究成果整理而成，对于从事粉体材料合成的读者具有较高的参考价值。

过渡金属碳（氮）化物是一类金属间充型化合物，兼具共价化合物、离子晶体和过渡金属的性质。此类碳（氮）化物大多具有较高的硬度、优良的热稳定性、优异的耐蚀性，这些性能与金属材料有很大差异，更趋向于陶瓷材料的性能。但是这类材料又具有类似金属的电和磁性能，往往具有良好的导电性。由于这些特殊的性能，这类材料被广泛应用于高强度工具涂层材料、钻探材料、切削材料及催化材料。
通常，碳（氮）化物粉末是通过碳热还原（氮化）微米级氧化物和碳来合成的。该方法具有反应温度高（>1400℃）、反应时间长（>4h）、成本高等缺点。此外，所制备的粉末为微米级尺寸，不能满足现代工业对碳（氮）化物粉末的要求。目前，碳（氮）化物粉末的合成方法有直接元素反应法、程序升温反应法和气体还原渗碳法。然而，这些方法由于产量低、粒度分布广、监测复杂、成本高等原因，在工业上的应用仍然受到限制。
前驱体碳化法有助于在低温下获得均一的反应产物。机械合金化法被认为是制备包括固溶体、金属间化合物和纳米结构材料等非常有效的方法。微波加热作为有特殊机理的快速加热技术，可以较好地解决传统合成方法存在的问题，近年来备受关注。微波加热时，首先在材料内部产生热量，然后整个体积得到加热。这种加热机制具有均匀、快速、体积加热、反应速率高和选择性高、显著缩短反应时间和高产品收率等优点，是最佳的加热途径之一。另外，纳米级粉末由于具有较高的比表面积、颗粒之间的接触面积较大、界面原子数较多、界面区域原子扩散系数较高，因此具有较高的化学活性，可以加速碳热还原氮化反应的进行。
本书主要介绍了前驱体碳化法、微波加热法、微波-机械合金化等制备纳米碳（氮）化物的方法，探究了反应温度、保温时间、升温速率等工艺参数对纳米碳（氮）化物的微观结构及性能影响，揭示了纳米碳（氮）化物的热力学、动力学及反应机制，以期实现对材料的有效控制，为纳米碳（氮）化物的实验室制备及工业化生产奠定坚实的实践及理论基础。全书内容共包括六章，首先概述了钒（铬）及其化合物、纳米碳（氮）化钒（铬）的制备方法研究现状、微波加热原理及特点；然后介绍了前驱体碳化法、微波加热法、机械合金化-微波加热法制备纳米碳化钒（铬）粉末及其复合粉末；最后阐述了纳米碳（氮）化钒（铬）复合粉末的应用、热力学、动力学及相关机理。本书不但总结了笔者课题组对纳米碳（氮）化物研究的部分成果，还引用了国内外其他科研工作者一些重要研究成果，希望能为读者提供更多的借鉴和参考。
本书得到了国家自然科学基金资助项目（No.51304063）、河南省高校科技创新人才支持计划资助项目（No.16HASTIT011）和河南省高等学校青年骨干教师资助计划资助项目（No.2013GGJS-076）的资助。在本书撰写过程中，四川大学刘颖教授给予了宝贵的指导和帮助；胡文萌、杨宝震、郑娟、陈飞晓、晋凯、千雁菊、张果果等也为本书的撰写提供了大力支持和帮助；本书还得到了相关科研人员及测试老师的大力支持，在此谨向他们致以衷心的感谢。
由于笔者学识和经验所限，书中难免有疏漏之处，敬请读者批评指正，不胜感激。

赵志伟
2020年3月

赵志伟，教授，现任河南工业大学材料科学与工程学院副院长。曾获得河南省教育厅学术技术带头人、河南省青年科技专家、河南省高校科技创新人才、河南省高等学校青年骨干教师、郑州市科技创新领军人才等荣誉称号。主要从事超细硬质合金、超硬材料陶瓷磨具相关研究，主持国家自然科学基金、河南省重点科技攻关等二十余项科研项目。近年来在Scripta Materialia、Molecules、Journal of Alloys and Compounds等国际知名学术期刊上发表学术论文40余篇。作为主要完成人，获得河南省科技进步一等奖1项；申请国家发明专利15项，其中11项获得授权，4项获得技术转让。获得2017年度第十三届河南省青年科技奖。

本书针对近年来广受关注的纳米过渡金属碳（氮）化物——碳（氮）化钒（铬）的制备、热力学、动力学、反应机理及其在硬质合金与陶瓷磨具中的应用进行了较为系统的研究。全书共分六章，第一章为绪论，概述了钒（铬）及其化合物、纳米碳（氮）化钒（铬）的制备方法研究现状、微波加热原理及特点；第二、三章介绍了前驱体碳化法、微波加热法制备纳米碳化钒（铬）粉末；第四章介绍了纳米碳化钒/铬复合粉末的制备基础及应用研究；第五章介绍了微波加热法制备纳米氮化钒（铬）粉末；第六章介绍了纳米氮化钒/铬复合粉末的制备基础及应用研究。
本书可供从事粉体材料、复合材料、粉末冶金及精细化工等专业的科研技术人员以及高校无机非金属材料、复合材料、粉末冶金专业师生参考。

第一章绪论/1
1.1钒（铬）及其化合物1
1.1.1金属钒（铬）1
1.1.2钒（铬）的氧化物2
1.1.3碳化钒（铬）的性质及应用5
1.1.4氮化钒（铬）的性质及应用7
1.2纳米碳化钒（铬）的制备方法研究现状10
1.2.1碳热还原法10
1.2.2气相还原法10
1.2.3前驱体法11
1.2.4机械合金化法12
1.3纳米氮化钒（铬）的制备方法研究现状14
1.3.1机械粉碎法14
1.3.2液相法15
1.3.3固相法17
1.3.4气-固反应法18
1.3.5燃烧合成法19
1.4微波加热原理及特点20
参考文献22

第二章前驱体碳化法制备纳米碳化钒（铬）粉末/32
2.1引言32
2.2制备方案33
2.2.1原料与设备33
2.2.2制备与表征34
2.3前驱体碳化法制备纳米碳化钒粉末35
2.3.1热处理温度对纳米碳化钒制备的影响35
2.3.2热处理时间对纳米碳化钒制备的影响43
2.3.3反应机理分析47
2.4前驱体碳化法制备纳米碳化铬粉末49
2.4.1XRD分析49
2.4.2SEM分析50
2.4.3XPS分析51
参考文献54

第三章微波加热法制备纳米碳化钒（铬）粉末/59
3.1引言59
3.2制备方案60
3.2.1原料与设备60
3.2.2制备与表征61
3.3机械合金化-微波加热法制备纳米碳化钒粉末62
3.3.1TG-DSC分析62
3.3.2XRD分析63
3.3.3TEM分析65
3.4微波加热法制备纳米碳化铬粉末67
3.4.1XRD分析67
3.4.2SEM分析69
3.4.3TEM分析70
3.4.4TG-DSC分析71
参考文献72

第四章纳米碳化钒/铬复合粉末的制备基础及应用研究/75
4.1引言75
4.2制备方案76
4.2.1原料与设备76
4.2.2制备与表征77
4.3微波加热法制备纳米碳化钒/铬复合粉末78
4.3.1TG-DSC分析78
4.3.2XRD分析80
4.3.3SEM分析82
4.3.4TEM分析84
4.4机械合金化-微波加热法制备纳米碳化钒/铬复合粉末85
4.4.1机械合金化产物分析85
4.4.2微波加热产物分析90
4.5纳米碳化钒/铬复合粉末在硬质合金中的应用研究94
4.6纳米碳化钒/铬复合粉末在陶瓷磨具中的应用研究97
4.6.1纳米碳化钒/铬复合粉末对陶瓷结合剂物相组成的影响97
4.6.2纳米碳化钒/铬复合粉末对陶瓷结合剂平均线膨胀系数的影响98
4.6.3纳米碳化钒/铬复合粉末对陶瓷结合剂耐火度与流动性的影响99
4.6.4纳米碳化钒/铬复合粉末对陶瓷结合剂cBN磨具抗折强度的影响100
4.6.5纳米碳化钒/铬复合粉末对陶瓷结合剂cBN磨具硬度的影响102
4.6.6纳米碳化钒/铬复合粉末对陶瓷结合剂cBN磨具显微结构的影响103
4.6.7纳米碳化钒/铬复合粉末对陶瓷结合剂cBN磨具磨削性能的影响104
4.7纳米碳化钒/铬复合粉末的反应动力学及机理研究105
4.7.1纳米碳化钒/铬复合粉末的动力学分析105
4.7.2纳米碳化钒/铬复合粉末的形成机理108
参考文献112

第五章微波加热法制备纳米氮化钒（铬）粉末/116
5.1引言116
5.2制备方案117
5.2.1原料与设备117
5.2.2制备与表征118
5.3微波加热法制备纳米氮化钒粉末119
5.3.1XRD分析119
5.3.2SEM分析122
5.3.3TEM分析123
5.3.4N2吸附-脱附分析124
5.4微波加热法制备纳米氮化铬粉末125
5.4.1XRD分析125
5.4.2SEM分析128
参考文献129

第六章纳米氮化钒/铬复合粉末的制备基础及应用研究/131
6.1引言131
6.2制备方案132
6.2.1原料与设备132
6.2.2制备与表征133
6.3纳米氮化钒/铬复合粉末的制备研究133
6.3.1XRD分析133
6.3.2SEM分析138
6.3.3TEM分析139
6.4纳米氮化钒/铬复合粉末的应用139
6.4.1抗折强度测定140
6.4.2流动性测定140
6.5氮化钒/铬复合粉末制备过程的热力学分析141
6.5.1氮化钒制备过程的热力学分析141
6.5.2氮化铬制备过程的热力学分析142
6.6氮化钒/铬复合粉末制备过程的动力学分析143
参考文献146