25764-08-3 / 氮化鈰在無機復合材料方面的應用

背景及概述^[1][2]

稀土素有“工業維生素”之美稱，是極其重要的戰略資源，在石油、化工、冶金、紡織、陶瓷、玻璃、永磁材料等領域都有著廣泛的應用。因此，對稀土化合物的研究顯得十分重要。氮化鈰為灰色粉末。在干燥空氣中穩定，遇水被分解為氧化鈰和氨，與稀硫酸反應生成硫酸鈰和硫酸銨。在氫氣流中加熱氮化鈰則產生三氫化鈰和氨氣。在850-900℃下，鈰與氮氣直接化合而得。氮化鈰可以用來制作各種無機復合材料，如高性能陶瓷，半導體材料，發光材料等，而制備這些材料對氮化鈰的純度有著極高的要求。目前氮化鈰的制備方法中，以高溫固相直接氮化法為主。這種方法的優點在于工藝簡單，成本低，雜質含量低，但其缺點也十分明顯，金屬Ce粉在空氣中易被氧化，使得產品的純度不高，一般氮含量在6.8wt％～8.0wt％之間，難以滿足客戶需求。而一些其他的制備方法，如氫化物熱解法，還原法，液相法，氣相法等，普遍具有工藝流程復雜，生產周期長，成本高，易引入雜質，對設備要求過高，產量低等缺點。

應用^[3-6]

氮化鈰可以用來制作各種無機復合材料，如高性能陶瓷，半導體材料，發光材料等。其應用舉例如下：

1. 制備混合稀土增韌補強氧化鋁基陶瓷復合材料。該復合材料含有氧化鋁和碳化鈦，其特征是它還含有氮化鑭、氮化鈰、氮化鐠、氮化釹中的至少兩種化合物。制備方法是首先采用硬質合金球將將AlTiC中間合金與混合稀土和Al2O3混磨，再放入真空干燥箱里進行干燥、烘干，使粉料通過100目篩，制得混合粉體；再將混合粉體裝入石墨模具中模壓成型，在氮氣氣氛下熱壓燒結。該復合材料制備工藝簡單，原材料成本低，尤其適合于陶瓷噴沙嘴、軸承等對耐磨性要求較高的零部件。

2. 制備一種耐腐蝕銑刀。在金屬切削加工中，合理選擇刀具刃形(螺旋角、前角、后角、刃傾角)是充分發揮刀具加工性能的重要條件。合理選擇刀具刃形可提高刀具加工壽命，實現高速加工。有研究提供了一種耐腐蝕銑刀，銑刀由鋼結硬質合金組成，鋼結硬質合金原料粉末包括硬質相和鋼基粘結劑，本發明銑刀中硬質相由硼化鎢，碳化硅，氧化鎳，氮化鈰，Cr組成提高了材料的機械性能；鋼基粘結劑的成分具有較高強度，再硬質相的作用下鋼結硬質合金強度得到了進一步提高。

3. 制備一種電網纜線固定夾。制造電網纜線固定夾的原料粉末由(摩爾比)；銅粉30-40份，Al粉6-7份，石墨粉2-3份，Zn粉1-2份，碳化鋯1-2份，三氧化二鉻0.7-0.8份，V粉0.5-0.6份，碳化鉻0.3-0.4份，Ni粉0.3-0.4份，氮化鈰0.2-0.3份，氧化鈷0.1-0.2份組成，本發明電網纜線固定夾使用了銅粉，石墨粉，Al粉，Zn粉，碳化鋯，三氧化二鉻，V粉，碳化鉻，Ni粉，氮化鈰，氧化鈷原料粉末，該原料成分通過壓制燒結提高了產品的強度；2)通過粉末混合，壓制燒結，退火，淬火，回火等工序使制造流程集約化，降低了生產成本。

4. 對金屬鈰表面進行改性。金屬鈰作為一種重要的稀土元素，常用作還原劑、催化劑以及合金添加劑，在現代工業中具有重要而廣泛的用途。但是由于金屬鈰化學性質非常活潑，在室溫下很容易氧化腐蝕，在大氣條件下很快會失去光澤而老化，從而影響其金屬特性和表面外觀質量。目前主要采取對金屬鈰進行密閉并在陰涼或煤油介質中貯存的方式以被動減緩金屬鈰的氧化腐蝕，但是這些方法對氣密性要求高，容易對金屬鈰造成污染，而且貯存效果并不理想，金屬鈰仍然會發生較嚴重的氧化腐蝕。

利用雙離子束濺射沉積系統，在打磨拋光的金屬鈰表面首先進行氬離子濺射清洗，然后進行氮化反應濺射處理生成氮化鈰鍍層，最后再用陶瓷靶材如氮化鈦進行直接濺射，生成氮化鈦陶瓷鍍層，最終在鈰表面形成氮化鈰和氮化鈦復合的雙層鍍層。通過對金屬鈰進行氮化處理和沉積氮化鈦鍍層，金屬鈰抗老化腐蝕性能明顯增強，通過電化學極化曲線測試表明，處理前后金屬鈰腐蝕電流密度可降低約5倍，同時氮化鈰和氮化鈦鍍層均為金黃色鍍層，從而增加了金屬鈰的表面美觀效果。

制備^[2]

一種制備上述高純氮化鈰粉體的方法，包含如下步驟：

a、將Ce粉進行液相球磨處理，所用液體介質為去離子水、有機溶劑、稀堿性溶液中的一種，液相球磨后Ce粉的粒度為1.5μm～2.5μm；

b、按照比例稱取Ce粉和助劑A、C、添加劑B為原料，其中A為NH4Cl和NH4F中的至少一種，B為CeN，C為無水CeCl3，且各原料質量比為Ce粉∶A＝80∶20～95∶5，Ce粉∶(B+C)＝80∶20 ～95∶5，B∶C＝50∶50～20∶80；

c、將步驟b中所稱取的Ce粉和助劑A混合均勻，并置于坩堝中；

d、在H2反應氣氛下以5～10℃/min的速率升溫至300～500℃，保溫2～5h，然后以5 ～10℃/min的速率降溫至200℃，再自然降至室溫，得到一次燒結產物；

e、將一次燒結產物充分研磨，并與步驟b中稱取的添加劑B和助劑C混合均勻，置于坩堝中；

f、在N2或NH3或N2和NH3的混合氣氛下以5～10℃/min的速率升溫至800～1200℃，并保溫4～10h，然后以5～10℃/min的速率降溫至200℃，再自然降至室溫，得到二次燒結產 物；

g、將二次燒結產物研磨、過篩后得到高純CeN粉體。氮化鈰粉體的掃描電鏡圖如下：

主要參考資料

[1] 無機化合物辭典

[2] CN201611256476.7一種高純氮化鈰粉體及其制備方法和應用

[3] CN200510044750.X混合稀土增韌補強氧化鋁基陶瓷復合材料及其制備方法

[4] CN201610093100.2一種耐腐蝕銑刀

[5] CN201610216091.1一種電網纜線固定夾

[6] CN201710047335.2一種對金屬鈰表面進行改性的方法