尹 政 ，于雁武，劉玉存，郭嘉昒

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051）

炸藥爆炸時(shí)能在有限的體積和時(shí)間內(nèi)釋放出巨大的能量，產(chǎn)生極高的溫度（3 000～4 000K）和壓強(qiáng)（約1010Pa量級(jí)），具有極大的破壞力。20世紀(jì)50年代起爆炸技術(shù)被引入到粉末處理中[1]，由于爆炸沖擊對(duì)合成新材料具有獨(dú)特的優(yōu)勢，目前該方法已應(yīng)用到了粉末處理、合成超硬材料、新材料的燒結(jié)與焊接等領(lǐng)域。1995年周剛、黃風(fēng)雷[2]運(yùn)用炸藥爆轟法合成出了超細(xì)金剛石粉末。目前，爆轟法已被運(yùn)用到多種粉體材料的合成研究中，如超細(xì)石墨粉、碳納米管、氮化物粉體、超細(xì)金屬氧化物粉體等方面的研究[3-6]。由此可見，通過爆轟沖擊法合成超細(xì)粉體材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

碳化鈦是典型的過渡金屬碳化物。研究表明，碳化鈦是非常穩(wěn)定的間隙化合物，它具有高熔點(diǎn)、高硬度、高楊氏模量、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨和耐腐蝕等特性，同時(shí)具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。所以碳化鈦在切削刀具、宇航部件、耐磨涂層、泡沫陶瓷和紅外輻射陶瓷材料等方面有著廣泛的用途和巨大的潛力。目前國內(nèi)外合成碳化鈦粉末的方法有：熱還原法[7]、直接碳化法[8]、化學(xué)氣相沉積法[9]、溶膠凝膠法[10]、微波法[11]等。本研究嘗試采用爆炸沖擊法制備碳化鈦，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行表征及性能分析。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料：單質(zhì)炸藥奧克托今（HMX），化學(xué)名環(huán)四亞甲基四硝胺；二氧化鈦（99.0%，45μm），天津市化學(xué)試劑三廠，分析純；活性碳粉（99.9%，75 μm），天津市福晨化學(xué)試劑廠，分析純。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。將奧克托今壓制成Φ10mm×5mm圓柱，密度為1.80g/cm3。根據(jù)爆炸沖擊波衰減模型[12]進(jìn)行理論計(jì)算，確定有機(jī)玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯，密度為1.18 g/cm3）板厚度，進(jìn)而得到所需輸出壓力。將二氧化鈦粉末與碳粉按一定比例混合，壓制成Φ10mm×5mm的圓柱制備前驅(qū)體，密度為1.5g/cm3，實(shí)驗(yàn)室裝入金屬約束外筒內(nèi)。放入自制密閉爆炸容器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，爆炸沖擊波作用后收集爆轟灰。經(jīng)過初步的篩濾，去除掉鐵屑等大塊雜質(zhì)，得到黑色粉末。黑色粉末經(jīng)王水浸泡24h后變?yōu)楹稚?，最后放入馬弗爐中，在400℃下煅燒400min，最終得到銀灰色粉末。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental device

2 結(jié)果和討論

2.1 外貌表征

圖2為初始收集的爆轟灰與提純后產(chǎn)物的對(duì)比圖，從圖中可以看出，經(jīng)過提純處理后的粉末為灰色，符合文獻(xiàn)中報(bào)道的碳化鈦粉末顏色。

2.2 SEM表征

由SEM表征結(jié)果得到了爆轟產(chǎn)物的形貌和大小，如圖3所示。爆轟產(chǎn)物呈規(guī)則的顆粒狀，納米顆粒的分散性比較好，且粒徑分布均勻，平均分布在50nm以內(nèi)。從圖3中可以看出爆轟產(chǎn)物的表面形貌有層狀結(jié)構(gòu)。

圖2 樣品外貌圖Fig.2 Appearance graph of samples

圖3 爆轟產(chǎn)物的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of detonation products

2.3 XRD表征

圖4是樣品的XRD圖譜，測試過程采用標(biāo)準(zhǔn)θ～2θ掃描方法，使用銅靶Ka1輻射線，波長為0.154 056nm。

圖4 爆轟產(chǎn)物XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of detonation products

表1列出了XRD譜線對(duì)應(yīng)的2θ值、晶面間距dexp值，同時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)衍射卡片進(jìn)行了對(duì)比分析。

表1 爆轟產(chǎn)物XRD測試結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.1 XRD results of detonation products and related data

XRD測試結(jié)果中共出現(xiàn)了10條特征峰，其中衍射峰3、4、7、8、9、10屬于碳化鈦化合物晶相，衍射峰2、6為殘留二氧化鈦晶體（21-1276和65-0192）衍射峰，1號(hào)衍射峰為C70（48-1206）衍射峰，編號(hào)為5的最弱衍射峰不與任何已知的鈦碳化合物相符合，說明樣品中可能存在未知的鈦碳化合物結(jié)構(gòu)。

2.4 產(chǎn)物性能分析

用差熱失重測量儀（DSC-TG）分析爆轟產(chǎn)物的性能。DSC-TG曲線測試條件：空氣氣氛，加熱溫度30～1 000℃，升溫率10℃/min，樣品重量4.6mg，置于三氧化二鋁坩堝中。圖5為爆轟產(chǎn)物的DSC-TG曲線圖。從圖5中可以看出在550℃處出現(xiàn)一個(gè)明顯的放熱峰，說明在碳化鈦粉末中含有殘留的活性碳粉末，此放熱峰為活性碳被氧化的放熱峰，此結(jié)論與文獻(xiàn)[13]所得結(jié)論相符合。分析圖中的TG曲線，并沒有明顯的失重和增重現(xiàn)象，表明碳化鈦粉末在空氣氣氛下1 000℃范圍內(nèi)可以穩(wěn)定存在。

本實(shí)驗(yàn)所用方法與已有的方法相比較具有如下特點(diǎn)：首先是反應(yīng)速率快，這是爆轟法合成材料粉末的特點(diǎn)；其次是產(chǎn)物分散性好，從圖3中可以看出，爆轟產(chǎn)物的粒度均勻分散性較好，在靜態(tài)合成碳化鈦粉末中，由于反應(yīng)時(shí)間長，生成的產(chǎn)物有團(tuán)聚現(xiàn)象且粒度控制不均勻；最后是爆轟產(chǎn)物具有較高的抗氧化性能，本實(shí)驗(yàn)中通過爆轟法合成的碳化鈦粉末在空氣氣氛中1 000℃內(nèi)仍能穩(wěn)定存在，具有很高的抗氧化性，從而提高了碳化鈦粉末的綜合性能。

圖5 爆轟產(chǎn)物DSC-TG曲線圖Fig.5 DSC-TG curves of detonation products

3 結(jié)論

利用炸藥爆炸徑向沖擊法成功制備出了灰色碳化鈦粉末，產(chǎn)物顆粒在50nm以內(nèi)，分散性較好，XRD測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值相符很好，DSC-TG曲線顯示碳化鈦粉末在1 000℃范圍內(nèi)空氣氣氛下穩(wěn)定存在。

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