载碳氮化钛纳米碳管复合粉体结构控制及相关热动力学研究

以钛铁矿为原料，采用微波-等离子体分步处理技术，综合利用其中的钛铁元素，制备具有独特结构、适用于复合电沉积的载碳氮化钛纳米碳管复合粉体：复合粉体中碳氮化钛为深亚微米级，数量和长度均一定的纳米碳管连接在碳氮化钛颗粒上,在复合电沉积过程中，纳米碳管负载碳氮化钛移动，实现二者的均匀沉积。分析微波场对钛铁矿、纳米碳管及钛氧化物的作用，进行钛铁矿还原、铁颗粒析出、纳米碳管生长、钛氧化物收缩等过程的热力学与动力学研究，认识不同因素对钛氧化物粒度的影响规律；分析微波场作用下钛氧化物、炭素物质、气氛之间的相互作用，获取不同气氛条件下钛氧化物碳氮化过程的热力学与动力学特点，探索调控复合粉体中纳米碳管含量的方法。进行载碳氮化钛纳米碳管复合粉体复合共沉积研究，在现有复合共沉积理论基础上分析复合粉体结构对镀层结构性能的影响，进一步优化复合粉体结构。上述工作的开展对于资源的合理利用及新型复合镀层的研发具有重要意义。

以钛铁矿为原料，采用微波-等离子体分步处理技术,制备了具有独特结构、适用于复合电沉积的载碳氮化钛纳米碳管复合粉体，该粉体中碳氮化钛为纳米级和深亚微米级，纳米碳管连接在碳氮化钛颗粒上,在复合电沉积过程中，纳米碳管负载碳氮化钛移动，实现了二者的均匀沉积。研究工作主要分为以下三个方面：.1 分析了等离子体作用下钛铁矿的还原机理。确定了还原气氛、微波功率及微波还原时间对还原产物成分以及形貌的影响，确定了获得不同结构特征（包括纳米碳管的数量、长度等）的还原产物的工艺条件。对钛铁矿微波等离子体还原动力学进行了分析，发现在纯氢气条件下，还原过程由化学反应即速率方程来进行拟合，而随着甲烷的加入及浓度的提高，还原过程变成由杨德方程进行拟合。在此基础上提出了纳米碳管作用下的钛铁矿“反应破碎模型”。.2 分析了微波场对钛铁矿、纳米碳管以及钛氧化物的作用，研究了微波烧结功率、保温时间对还原产物的影响以及对Ti(C1-x,Nx)组分的影响。发现随着微波功率增加，钛氧化物的还原速率提高，碳氮化钛的产率提高。由于纳米碳管的破碎作用，所获得的钛氧化物为深亚微米级或纳米级，在微波能的作用下可迅速转化为碳氮化钛，但过长的保温时间会导致碳氮化钛晶粒长大。提高微波功率，产物Ti(C1-x,Nx)中的碳含量升高，保温时间增加 Ti(C1-x,Nx)中的氮含量升高。获得了结构良好的纳米碳管-纳米碳氮化钛复合粉体材料。.3 进行了载碳氮化钛纳米碳管复合粉体复合共沉积研究，在复合共沉积理论基础上分析了复合粉体结构、处理条件、复合电沉积条件等对复合镀层结构和性能的影响，获得了具有优异耐磨性能的镍基复合镀层。研究了不同修饰方式对CNTs分散性的影响。发现经过混酸氧化处理后的CNTs表面拥有丰富的羧基和羟基等含氧官能团，同时经过TiO2修饰后的碳纳米管悬浮液具有更高的分散性和稳定性；研究了纳米碳管表面的镍电结晶行为，发现在纳米碳管存在条件下，镍晶粒按（111）面取向生长，进一步提高了金属镀层的硬度和耐磨性能。