爆炸径向冲击法制备碳化钛粉末的研究

尹 政 ，于雁武，刘玉存，郭嘉昒

（中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051）

炸药爆炸时能在有限的体积和时间内释放出巨大的能量，产生极高的温度（3 000～4 000K）和压强（约1010Pa量级），具有极大的破坏力。20世纪50年代起爆炸技术被引入到粉末处理中[1]，由于爆炸冲击对合成新材料具有独特的优势，目前该方法已应用到了粉末处理、合成超硬材料、新材料的烧结与焊接等领域。1995年周刚、黄风雷[2]运用炸药爆轰法合成出了超细金刚石粉末。目前，爆轰法已被运用到多种粉体材料的合成研究中，如超细石墨粉、碳纳米管、氮化物粉体、超细金属氧化物粉体等方面的研究[3-6]。由此可见，通过爆轰冲击法合成超细粉体材料具有广阔的应用前景。

碳化钛是典型的过渡金属碳化物。研究表明，碳化钛是非常稳定的间隙化合物，它具有高熔点、高硬度、高杨氏模量、高化学稳定性、耐磨和耐腐蚀等特性，同时具有良好的导电和导热性能。所以碳化钛在切削刀具、宇航部件、耐磨涂层、泡沫陶瓷和红外辐射陶瓷材料等方面有着广泛的用途和巨大的潜力。目前国内外合成碳化钛粉末的方法有：热还原法[7]、直接碳化法[8]、化学气相沉积法[9]、溶胶凝胶法[10]、微波法[11]等。本研究尝试采用爆炸冲击法制备碳化钛，并对产品进行表征及性能分析。

1 实验

实验材料：单质炸药奥克托今（HMX），化学名环四亚甲基四硝胺；二氧化钛（99.0%，45μm），天津市化学试剂三厂，分析纯；活性碳粉（99.9%，75 μm），天津市福晨化学试剂厂，分析纯。实验装置见图1。将奥克托今压制成Φ10mm×5mm圆柱，密度为1.80g/cm3。根据爆炸冲击波衰减模型[12]进行理论计算，确定有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯，密度为1.18 g/cm3）板厚度，进而得到所需输出压力。将二氧化钛粉末与碳粉按一定比例混合，压制成Φ10mm×5mm的圆柱制备前驱体，密度为1.5g/cm3，实验室装入金属约束外筒内。放入自制密闭爆炸容器中进行实验，爆炸冲击波作用后收集爆轰灰。经过初步的筛滤，去除掉铁屑等大块杂质，得到黑色粉末。黑色粉末经王水浸泡24h后变为褐色，最后放入马弗炉中，在400℃下煅烧400min，最终得到银灰色粉末。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic of experimental device

2 结果和讨论

2.1 外貌表征

图2为初始收集的爆轰灰与提纯后产物的对比图，从图中可以看出，经过提纯处理后的粉末为灰色，符合文献中报道的碳化钛粉末颜色。

2.2 SEM表征

由SEM表征结果得到了爆轰产物的形貌和大小，如图3所示。爆轰产物呈规则的颗粒状，纳米颗粒的分散性比较好，且粒径分布均匀，平均分布在50nm以内。从图3中可以看出爆轰产物的表面形貌有层状结构。

图2 样品外貌图Fig.2 Appearance graph of samples

图3 爆轰产物的SEM照片Fig.3 SEM images of detonation products

2.3 XRD表征

图4是样品的XRD图谱，测试过程采用标准θ～2θ扫描方法，使用铜靶Ka1辐射线，波长为0.154 056nm。

图4 爆轰产物XRD图谱Fig.4 XRD pattern of detonation products

表1列出了XRD谱线对应的2θ值、晶面间距dexp值，同时与标准衍射卡片进行了对比分析。

表1 爆轰产物XRD测试结果及相关数据Tab.1 XRD results of detonation products and related data

XRD测试结果中共出现了10条特征峰，其中衍射峰3、4、7、8、9、10属于碳化钛化合物晶相，衍射峰2、6为残留二氧化钛晶体（21-1276和65-0192）衍射峰，1号衍射峰为C70（48-1206）衍射峰，编号为5的最弱衍射峰不与任何已知的钛碳化合物相符合，说明样品中可能存在未知的钛碳化合物结构。

2.4 产物性能分析

用差热失重测量仪（DSC-TG）分析爆轰产物的性能。DSC-TG曲线测试条件：空气气氛，加热温度30～1 000℃，升温率10℃/min，样品重量4.6mg，置于三氧化二铝坩埚中。图5为爆轰产物的DSC-TG曲线图。从图5中可以看出在550℃处出现一个明显的放热峰，说明在碳化钛粉末中含有残留的活性碳粉末，此放热峰为活性碳被氧化的放热峰，此结论与文献[13]所得结论相符合。分析图中的TG曲线，并没有明显的失重和增重现象，表明碳化钛粉末在空气气氛下1 000℃范围内可以稳定存在。

本实验所用方法与已有的方法相比较具有如下特点：首先是反应速率快，这是爆轰法合成材料粉末的特点；其次是产物分散性好，从图3中可以看出，爆轰产物的粒度均匀分散性较好，在静态合成碳化钛粉末中，由于反应时间长，生成的产物有团聚现象且粒度控制不均匀；最后是爆轰产物具有较高的抗氧化性能，本实验中通过爆轰法合成的碳化钛粉末在空气气氛中1 000℃内仍能稳定存在，具有很高的抗氧化性，从而提高了碳化钛粉末的综合性能。

图5 爆轰产物DSC-TG曲线图Fig.5 DSC-TG curves of detonation products

3 结论

利用炸药爆炸径向冲击法成功制备出了灰色碳化钛粉末，产物颗粒在50nm以内，分散性较好，XRD测试数据与理论计算值相符很好，DSC-TG曲线显示碳化钛粉末在1 000℃范围内空气气氛下稳定存在。

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