固體所在低碳含量碳化鎢納米粉體研究方麵取得進展

近期 ，中國科學院合肥物質院固體所納米材料與器件技術研究部熱控功能材料研究團隊在碳化鎢納米粉體的合成方麵取得新進展 ，成功解決了液相法製備粉體材料遊離碳含量較高的問題 ，相關成果以“Synthesis of ultrafine WC ceramic powders with reduced carbon content by liquid phase precursor method and the sintering behaviors”為題發表在國際期刊Ceramics International (Ceram. Int., 50, 9, 15134(2024))上 。      碳化鎢（WC）材料被廣泛用作航天航空 、新能源等精密加工製造領域的切削工具 。然而 ，隨著鈦合金 、高溫合金 、高強度鋼等難加工材料的發展 ，WC類切削刀具在使用過程中逐漸出現切削溫度高 、切削力大以及刀具磨損嚴重的現象 ，進而對WC基硬質合金的力學性能提出新要求 。根據以往的研究發現 ，低遊離碳含量以及超細晶粒尺寸可以顯著提高WC的硬度等力學性能 。液相法是合成高純超細WC粉體的有效工藝途徑 ，然而 ，液相法中所使用的碳源一般為有機物 ，複雜的化學絡合反應以及熱解反應會使WC粉體產品中有高含量的遊離碳 。因此 ，如何優化液相法製備低遊離碳含量的高純超細WC粉體具有重要意義 。

針對上述問題 ，固體所研究人員提出采用偏鎢酸氨水合物（Ammonium Metatungstate ，AMT）來優化以W 、O 、C為主要元素的分子級前驅體網絡結構 。這一過程中 ，AMT經過與液相中所產生的副產物HCl反應而均勻的溶解其中，利用其自身的W和O元素來消耗液相法多餘的碳含量 ，以此來實現低遊離碳含量WC粉體的製備 。再經過碳熱還原和滲碳反應 ，將WC產物中遊離碳含量從5.7 wt.%降低至1.1 wt.% ，獲得了粒徑＜200 nm的高純WC粉體 。此外 ，研究人員發現類球形WC顆粒形貌是由直徑較細的纖維狀或棒狀中間熱解產物經過裂解及滲碳過程所誘導形成的 。隨著遊離碳含量的降低 ，WC陶瓷塊體的相對致密度從41.6%提高至90.2% ，同時其硬度值在1 Kg的載荷下 ，從2.5 GPa提升至19.3 GPa 。力學性能的顯著提高說明遊離碳的降低對WC陶瓷的燒結性能具有良好的改善 。

該工作闡明了液相法合成WC粉體過程中前驅體原料絡合機製和WC粉體的降碳機理 ，為具有低遊離碳含量的高純超細陶瓷粉體材料的研製提供了新思路 。

上述工作得到了國家自然科學基金、安徽省科技重大專項 、合肥物質院院長基金等項目的支持 。論文鏈接 ：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.01.432 

圖1. WC前驅體的反應機理和煆燒過程示意圖 。

圖2. 不同遊離碳含量的WC粉末樣品SEM圖像 ：（a）WC-0A ，（b）WC-3A ，（c）WC-4A ；三種WC粉體的放電等離子燒結試樣的（d）遊離碳含量 ，（e）光學圖像 ，（f）相對密度和硬度 ；（g-h）不同燒結樣品的SEM圖像 。