СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА ВАНАДИЯ Российский патент 2016 года по МПК C01B31/30 

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу карбида ванадия, и может быть использовано при изготовлении спеченных твердых сплавов на основе карбидов вольфрама или титана с целью повышения их эксплуатационных свойств, в качестве катализатора для каталитических процессов.

Известен способ получения карбида ванадия магнийтермическим восстановлением оксида ванадия V₂O₅ в присутствии основного карбоната магния по реакции

(Jianhua Ma, Meining Wu, Yihong Du, Suqin Chen, Jian Ye, Liangliang Jin.Low Temperature Synthesis of Vanadium Carbide (VC). Materials Letters 63 (2009) 905-907).

Однако указанный способ имеет недостатки. Это применение при синтезе карбида ванадия дорогого и токсичного порошкообразного магния, образование водорода - горючего (взрывоопасного) газа, а также необходимость очистки полученного карбида ванадия от другого твердого продукта реакции - оксида магния (обычно производится обработкой минеральными кислотами).

Кроме того, известен способ (Заявка US 2006/005281 кл. C01B 31/30, 2006), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в нагреве смеси оксида ванадия V₂O₃ и углеродного материала (нановолокнистого углерода) в токе инертного газа при температуре 900-1900°C в течение 1-30 минут.

Однако указанный способ имеет недостатки. Это невозможность получения однофазного продукта и наличие в нем непрореагировавшего углерода. Эти недостатки связаны с применением углеродного материала, в том числе нановолокнистого углерода, со сравнительно небольшим значением удельной поверхности (68,5 м²/г).

Задачей предлагаемого изобретения является получение однофазного продукта при отсутствии в нем непрореагировавшего углерода.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения карбида ванадия, включающем нагрев смеси оксида металла и нановолокнистого углерода в токе инертного газа при температуре 1250-1350°C в течение 25-30 мин, в качестве оксида металла берут оксид ванадия V₂O₃ и используют нановолокнистый углерод с удельной поверхностью 138-160 м²/г.

Способ осуществляется следующим образом. Навески порошков оксида ванадия V₂O₃ и углеродного материала (нановолокнистого углерода) берутся по стехиометрии на карбид ванадия в соответствии с реакцией

Далее смесь просеивается через сито с размером ячейки 100 мкм. При просеивании происходит перемешивание оксида ванадия с углеродом. Далее смесь загружается в тигель из стеклоуглерода внутренним диаметром 15 мм и высотой внутреннего пространства 60 мм. Тогда внутренний объем тигля 10,603 см³. При плотности смеси 4,2 г/см³ масса ее примерно равна 31 грамму. Тигель из стеклоуглерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Кварцевый реактор продувается инертным газом - аргоном. Нагрев смеси производят при температуре 1250-1350°C в течение 25-30 минут.

Температура в реакторе контролируется оптическим пирометром. После остывания реактора прекращается подача аргона, из реактора извлекается тигель, из тигля высыпается продукт реакции (порошок карбида ванадия).

При температурах ниже 1250°C карбид ванадия не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При температурах, превышающих 1350°C, имеют место ненужные энергозатраты. При времени процесса менее 25 минут карбид ванадия не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При времени процесса более 30 минут имеют место ненужные энергозатраты. При уменьшении величины удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода ниже 138 м²/г времени 25-30 минут и температуры 1250-1350°C оказывается недостаточно для полного завершения процесса образования карбида ванадия, о чем свидетельствует наличие на дифрактограммах рефлексов исходного реагента - оксида ванадия V₂O₃. Увеличение значения удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода выше 160 м²/г невозможно при любом времени измельчения.

Пример реализации изобретения

Порошки оксида ванадия V₂O₃ и нановолокнистого углерода с удельной поверхностью 148 м²/г совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее готовая смесь засыпается в тигель из стеклоуглерода. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Кварцевый реактор продувается аргоном. Температура процесса 1300°C, время выдержки при этой температуре 27 минут. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной смеси) только одной фазы - карбида ванадия. На дериватограмме образца при температуре примерно 500°C не зафиксирована убыль массы с одновременным экзотермическим эффектом, что свидетельствует об отсутствии в образце примеси свободного углерода.

Использование в составе смеси более дисперсного, чем в прототипе, углеродного материала (нановолокнистого углерода) позволяет получить однофазный продукт при отсутствии в нем непрореагировавшего углерода.

Изобретение относится к химической промышленности и порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении спеченных твердых сплавов и катализаторов. Карбид ванадия получают нагревом смеси оксида ванадия V₂O₃ и нановолокнистого углерода с удельной поверхностью 138-160 м²/г в токе инертного газа при температуре 1250-1350°C в течение 25-30 мин. Изобретение позволяет упростить процесс получения карбида ванадия и уменьшить энергозатраты.

Способ получения карбида ванадия, включающий нагрев смеси оксида металла и нановолокнистого углерода в токе инертного газа при температуре 1250-1350°C в течение 25-30 мин, отличающийся тем, что в качестве оксида металла берут оксид ванадия V₂O₃ и используют нановолокнистый углерод с удельной поверхностью 138-160 м²/г.