Синтез высокодисперсного  карбида ванадия (VC0.88) с использованием нановолокнистого углерода

Юрий Крутский; Андрей Тюрин; Максим Попов; Евгений Максимовский; Ольга Нецкина

Синтез высокодисперсного карбида ванадия (VC0.88) с использованием нановолокнистого углерода

Юрий Крутский, Андрей Тюрин, Максим Попов, Евгений Максимовский, Ольга Нецкина

Аннотация

В статье представлены результаты исследования процесса синтеза высокодисперсного порошка карбида ванадия состава VC_0,88. Карбид ванадия был получен восстановлением оксида ванадия (III) нановолокнистым углеродом (НВУ) в индукционной печи в среде аргона. НВУ – продукт каталитического разложения легких углеводородов. Основной характеристикой НВУ является высокое значение удельной поверхности (~ 150000 м²/кг), что существенно выше, чем у сажи(~ 50000 м²/кг). Содержание примесей в НВУ находится на уровне 1 % масс. На основе анализа диаграммы состояния системы V-C определены состав шихты и верхний температурный предел реакции карбидообразования для получения карбида ванадия в порошкообразном состоянии. На основе термодинамического анализа определена температура начала реакции карботермического восстановления оксида ванадия (III) при различных давлениях СО. Изучены характеристики карбида ванадия с использованием рентгенофазового и элементных анализов, пикнометрического анализа, сканирующей электронной микроскопии с применением локального энергодисперсионного рентгеновского микроанализа (EDX), низкотемпературной адсорбции азота с последующим определением удельной поверхности по методу БЭТ, седиментационного анализа, синхронной термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии (TГ/ДСК). Полученный при оптимальных параметрах материал представлен одной фазой – карбидом ванадия VC_0,88. Частицы порошка преимущественно агрегированы. Средний размер частиц и агрегатов составляет 9,2-9,4 мкм с широким диапазоном распределения по размерам. Удельная поверхность образцов составляет 18000-2400 м²/кг. Окисление карбида ванадия начинается при температуре ~ 430 ^оС и практически заканчивается при ~ 830 °С. Оптимальными параметрами синтеза являются соотношение реагентов по стехиометрии на получение карбида состава VC_0,88 при температуре 1500-1600 ^оС и времени выдержки 20 минут.Показано, что для данного процесса нановолокнистый углерод является эффективным восстановителем и карбидизатором и что оксид ванадия (III) практически полностью восстанавливается до карбида VC_0,88.

Ключевые слова

высокодисперсный порошок, синтез, карбид ванадия, нановолокнистый углерод, карботермическое восстановление

Об авторах

Юрий Крутский

Новосибирский государственный технический университет
Россия
к.т.н., доцент кафедры химии и химической технологии Новосибирского государственного технического университета

Андрей Тюрин

Новосибирский государственный технический университет
Россия
к.т.н., доцент кафедры материаловедения в машиностроении Новосибирского государственного технического университета

Максим Попов

Новосибирский государственный технический университет
Россия
старший преподаватель кафедры химии и химической технологии Новосибирского государственного технического университета

Евгений Максимовский

Институт неорганической химии СО РАН
Россия
к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории эпитаксиальных слоев

Ольга Нецкина

Институт катализа СО РАН
Россия
к.х.н., старший научный сотрудник лаборатории исследования гидридных соединений

Список литературы

1. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: справочник / под ред. Т.Я. Косолаповой. – М.: Металлургия. 1986. – 928 с.

2. Wu X.Y. , Li G.Z., Chen Y.H., G.Y. Li G.Y. Microstructure and mechanical properties of vanadium carbide coatings synthesized by reactive magnetron sputtering // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2009. Vol. 27. P. 611 – 614.

3. Fan X.S., Yang Z.G., Xia Z.H., Zhang C., Che H.Q. The microstructure evolution of VC coatings on AISI H13 and 9Cr18 steel by thermo-reactive deposition process // Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol. 505. L15 – L18.

4. Qianlin W., Wenge L., Ning Z., Gang W., Haishan W. Microstructure and wear behavior of laser cladding VC–Cr7C3 ceramic coating on steel substrate. // Materials & Design. 2013. Vol. 49. P. 10 – 18.

5. Hyoung, R. L. Role of vanadium carbide additive during sintering of WC-Co: mechanism of grain growth inhibition // Journal of the American Ceramic Society. 2003. Vol. 86. No. 1. Р. 152 – 154.

6. Bonny K., Baets P.De., Vleugels J., Huang S., Biest O.Van der., Lauvers B. Impact of Cr3C2/VC addition on the dry sliding friction and wear response of WC-Co cemented carbides // Wear. 2009. Vol. 267. P. 1642 – 1652.

7. Espinoza-Fernández L., Borrell A., Salvador M.D., C.F. Gutierrez-Gonzalez C.F. Sliding wear behavior of WC-Co-Cr3C2-VC composites fabricated by conventional and non-conventional techniques // Wear. 2013. Vol. 307. P. 60 – 67.

8. Курлов А.С., Гусев А.И. Физика и химия карбидов вольфрама. – М.: ФИЗМАТЛИТ. 2013. – 272 с.

9. Meunier F., Delporte P., Heinrich B., Bouchy C., Crouzet C., Pham-Huu C. Panissod P., Lerou J.J., Mills P.L., Ledoux M.J. Synthesis and characterization of high specific surface area vanadium carbide; application to catalytic oxidation // Journal of Catalysis. 1997. Vol. 169. P. 33 – 44.

10. Choi J-G. Ammonia decomposition over vanadium carbide catalysts // Journal of Catalysis. 1999. Vol. 182. P. 104 – 116.

11. Rodríguez P., Brito G.L., Albornoz A. , Labadí M., Pfaff C., Marrero S., Moronta D., Betancourt P. Comparison of vanadium carbide and nitride catalysts for hydrotreating // Catalysis Communications. 2004. Vol. 5. P. 79 – 82.

12. Liu Z.G., Tsuchiya K, Umemoto M. Mechanical milling of fullerene with carbide forming elements // Journal of Materials Science. 2002. Vol. 37. P. 1229 – 1235.

13. Zhang B., Li Z.Q. Synthesis of vanadium carbide by mechanical alloying // Journal of Alloys and Compounds. 2005. Vol. 392. P. 183 – 186.

14. Ma J., Wu M., Du Y., Chen S., Ye J., Jin L. Low temperature synthesis of vanadium carbide (VC) // Materials Letters. 2009. Vol. 63. P. 905 – 907.

15. Chen Y., Zhang H., Ye H., Ma J. A simple and novel route to synthesize nano-vanadium carbide using magnesium powders, vanadium pentoxide and different carbon source // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2011. Vol. 29. P. 528 – 531.

16. Wang L., Li Q., Mei T., Shi L., Zhu Y. , Qian Y. A thermal reduction route to nanocrystalline transition metal carbides from waste polytetrafluoroethylene and metal oxides // Materials Chemistry and Physics. 2012. Vol. 137. P. 1 – 4.

17. Шумилова Р.Г., Косолапова Т.Я. Полупромышленное получение карбида ванадия // Порошковая металлургия. 1968. № 11. С. 83 – 88.

18. Kapoor R., Oyama S.T. Synthesis of vanadium carbide by temperature programmed reaction // Journal of Solid State Chemistry. 1995. Vol. 120. P. 320 – 326.

19. Сабуров В.П., Черепанов А.Н., Жуков М.Ф., Галевский Г.В., Крушенко Г.Г., Борисов В.Т. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов. – Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. – 344 с. – (Низкотемпературная плазма. Т. 12)

20. Preiss H. D. Schultze D., K. Szulzewsky K. Carbothermal synthesis of vanadium and chromium carbides from solution-derived precursors // Journal of the European Ceramic Society. 1995. Vol. 19. P. 187 – 194.

21. Lei M., Zhao H.Z., Yang H., Song B., Cao L.Z., Li P.G., Tang W.H. Syntheses of metal nitrides, metal carbides and rare-earth metal dioxymonocarbodiimides from metal oxides and dicyandiamide // Journal of Alloys and Compounds. 2008. Vol. 460. P. 130 – 137.

22. Lei M., Zhao H.Z., Yang H., Song B., Tang W.H. Synthesis of transition metal carbide nanoparticles through melamine and metal oxides // Journal of the European Ceramic Society. 2008. Vol. 28. P. 1671 – 1677.

23. Li P.G., Lei M., Tang W.H. Route to transition metal carbide nanoparticles through cyanamide and metal oxides // Materials Research Bulletin. 2008. Vol. 43. P. 3621 – 3626.

24. Eick B.M., Youngblood J.P. Carbothermal reduction of metal-oxide powders by synthetic pitch to carbide and nitride ceramics // Journal of Materials Science. 2009. Vol. 44. P. 1159 – 1171.

25. Liu F., Yao Y., Zhang H., Kang Y., Jin G., Huang Z., Liao X., Liang X. Synthesis and characterization of vanadium carbide nanoparticles by thermal refluxing- derived precursors // Journal of Materials Science. 2011. Vol. 46. P. 3693 – 3697.

26. Dai L.Y., Lin S.F., Chen J.F., Zeng M.Q., Zhu M. A new method of synthesizing ultrafine vanadium carbide by dielectric barrier discharge plasma assisted milling // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2012. Vol. 30. P. 48 – 50.

27. Zhao Z., Liu Y., Cao H., Gao S., Tu M. Phase evolution during synthesis of vanadium carbide (V8C7) nanopowders by thermal processing of the precursor // Vacuum. 2008. Vol. 82. P. 852 – 855.

28. Lin H., Tao B.W., Li Q., Li Y.R. In situ synthesis of (V8C7) nanopowders from a new precursor // International Journal of Refractory Metals & Hard Materials. 2012. Vol. 31. P. 138 – 140.

29. Водопьянов А.Г., Кожевников Г.Н., Баранов С.В. Взаимодействие тугоплавких оксидов металлов с углеродом // Успехи химии. 1988. Т. LVII. Вып. 9. С. 1419 – 1439.

30. Kuvshinov G.G., Mogilnykh Yu.L., Kuvshinov D.G., Yermakov D.Yu., Yermakova M.A., Salanov A.N., Rudina N.A. Mechanism of Porous Filamentous Carbon Granule Formation on Сatalytic Hydrocarbon Decomposition // Carbon. 1999. Vol. 37. P. 1239 – 1246.

31. Крутский Ю.Л., Баннов А.Г., Антонова Е.В., Шинкарев В.В., Максимовский Е.А., Ухина А.В., Соловьев Е.А., Крутская Т.М., Разумаков А.А., Головин Д.Д., Нецкина О.В. Синтез высокодисперсного порошка карбида титана с использованием нановолокнистого углерода // Перспективные материалы. 2014. № 2. С. 60 – 65.

32. Крутский Ю.Л., Дюкова К.Д., Баннов А.Г., Ухина А.В., Соколов В.В., Пичугин А.Ю., Крутская Т.М., Нецкина О.В., Самойленко В.В. Синтез высокодисперсного порошка высшего карбида хрома с использованием нановолокнистого углерода // Известия высших учебных заведений. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2014. № 3. С. 3 – 8.

33. Крутский Ю.Л., Дюкова К.Д., Баннов А.Г., Максимовский Е.А., Ухина А.В., Крутская Т.М., Нецкина О.В., Кузнецова В.В. Синтез высокодисперсного порошка карбида циркония с использованием нановолокнистого углерода // Научный Вестник НГТУ. 2015. Т. 60. № 3. С. 192 – 205.

34. Физико-химические свойства окислов: справочник / под ред. Г.В. Самсонова. – М.: Металлургия, 1978. – 472 с.

35. Свойства элементов. Часть 1. Физические свойства: справочник / под ред. Г.В. Самсонова. – М.: Металлургия, 1976. – 600 с.

36. West A.R. Solid State Chemistry and Its Applications. Part I. Chichester, John Wiley, 1984. – 734 p.

37. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: справочник. – М.: Металлургия, 1976. – 560 с.

38. Blott S.J., Pye K. Gradistat: a grain size distribution and statistics package for the analysis of unconsolidated sediments // Earth Surface Processes and Landforms. 2001. Vol. 26. P. 1237 – 1248.

39. Войтович Р.Ф. Окисление карбидов и нитридов. – Киев: Наукова Думка, 1981. – 192 с.

40. Крутский Ю.Л., Галевский Г.В., Корнилов А.А. Окисление ультрадисперсных порошков карбидов бора, ванадия и хрома // Порошковая Металлургия. 1983. № 2. С. 47 – 50.

Дополнительные файлы

	1. Рисунок 1
	Тема
	Тип	Материалы исследования
	Скачать (188KB)	Метаданные ▾

	2. Рисунок 2
	Тема
	Тип	Данные
	Скачать (222KB)	Метаданные ▾

	3. Рисунок 3
	Тема
	Тип	Данные
	Скачать (271KB)	Метаданные ▾

	4. Рисунок 4 а
	Тема
	Тип	Результаты исследования
	Скачать (1MB)	Метаданные ▾

	5. Рис. 4b
	Тема
	Тип	Результаты исследования
	Скачать (1MB)	Метаданные ▾

	6. Рис. 4c
	Тема
	Тип	Результаты исследования
	Скачать (1MB)	Метаданные ▾

	7. Рис. 4d
	Тема
	Тип	Результаты исследования
	Скачать (1MB)	Метаданные ▾

	8. Рис. 5а
	Тема
	Тип	Результаты исследования
	Скачать (90KB)	Метаданные ▾

	9. Рис. 5b
	Тема
	Тип	Результаты исследования
	Скачать (90KB)	Метаданные ▾

	10. Рис. 6
	Тема
	Тип	Исследовательские инструменты
	Скачать (181KB)	Метаданные ▾

	11. Таблицы
	Тема
	Тип	Данные
	Скачать (41KB)	Метаданные ▾

	12. Подписи к рис
	Тема
	Тип	Чистый текст
	Скачать (42KB)	Метаданные ▾

Рецензия

Для цитирования:

Крутский Ю., Тюрин А., Попов М., Максимовский Е., Нецкина О. Синтез высокодисперсного карбида ванадия (VC0.88) с использованием нановолокнистого углерода. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2018;61(4).

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

ISSN 0368-0797 (Print)
ISSN 2410-2091 (Online)

Логин
Пароль
	Запомнить меня
Регистрация нового пользователя Забыли Ваш пароль?

	Заголовок	Рисунок 1
	Тип	Материалы исследования
	Дата	2017-06-22

	Заголовок	Рисунок 2
	Тип	Данные
	Дата	2017-06-22

	Заголовок	Рисунок 3
	Тип	Данные
	Дата	2017-06-22

	Заголовок	Рисунок 4 а
	Тип	Результаты исследования
	Дата	2017-06-22

	Заголовок	Рис. 4b
	Тип	Результаты исследования
	Дата	2017-06-22

	Заголовок	Рис. 4c
	Тип	Результаты исследования
	Дата	2017-06-22

	Заголовок	Рис. 4d
	Тип	Результаты исследования
	Дата	2017-06-22

	Заголовок	Рис. 5а
	Тип	Результаты исследования
	Дата	2017-06-22

	Заголовок	Рис. 5b
	Тип	Результаты исследования
	Дата	2017-06-22

	Заголовок	Рис. 6
	Тип	Исследовательские инструменты
	Дата	2017-06-22

	Заголовок	Таблицы
	Тип	Данные
	Дата	2017-06-22

	Заголовок	Подписи к рис
	Тип	Чистый текст
	Дата	2017-06-22

Войти

Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия