СИНТЕЗ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО КАРБИДА ВАНАДИЯ (VC_0,88) С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОВОЛОКНИСТОГО УГЛЕРОДА

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 (~150  000  м² /кг), что существенно выше, чем у сажи(~50  000  м² /кг). Содержание примесей в НВУ находится на уровне 1  % (по массе). 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 1800 – 2400 м² /кг. Окисление карбида ванадия начинается при температуре примерно 430 °С и практически заканчивается приблизительно при 830 °С. Оптимальными параметрами синтеза являются соотношение реагентов по стехиометрии на получение карбида состава VC_0,88 при температуре 1500  –  1600  °С и времени выдержки 20 мин. Показано, что для такого процесса нановолокнистый углерод является эффективным восстановителем и карбидизатором и что оксид ванадия (III) практически полностью восстанавливается до карбида VC_0,88 

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., 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 micro-structure 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., De Baets P., Vleugels J. etc. Impact of Cr3C2/VC addi tion 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., 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.etc. Synthesis and charac te rization 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 syn thesize 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. etc. 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. Низкотемпературная плазма. Т. 12. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / В.П. Сабуров, А.Н. Черепанов, М.Ф. Жуков, Г.В. Галевский, Г.Г. Крушенко, В.Т. Борисов. – Ново сибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. – 344 с.

20. Preiss H.D. Schultze D., 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., etc. 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., etc. 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 nano-particles 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., etc. 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., etc. 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., etc. 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 ) nano-powders 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., etc. 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. и др. 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. и др. 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. и др. 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. Ч. 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.