氮化钛陶瓷——从矿物原料加工到陶瓷合成论

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1、中国地质大学（北京）期末考试论文专用课程名称：技术陶瓷学班号：学号：姓名：成绩：氮化钛陶瓷——从矿物原料加工到陶瓷合成(中国地质大学(北京)材料科学与工程学院，北京100083)摘要：本文主要讲述了金红石矿、板钛矿及锐钛矿的加工到氮化钛陶瓷合成的过程。矿物原料加工工艺主要包括重选、磁选、浮选、电选、酸洗或者几种工艺的联合法。加工处理后获得精矿二氧化钛，进一步提纯得到二氧化钛。二氧化钛经过氮化法、机械合金、自蔓延、CVD等方法制得氮化钛粉体，氮化钛是氮化钛陶瓷的基体材料。氮化钛粉体经过烧结过程最终获得目标产物氮化钛陶瓷。关键词：金红石、二氧化钛、氮化钛、氮化钛陶瓷、合

2、成、性质正文：一、金红石天然矿物资源特征及加工处理[1-5]钛在岩石中呈氧化物和硅酸盐矿物存在。在自然界的主要富钛矿物有：金红石（TiO2）、锐钛矿（TiO2）、板钛矿（TiO2）、钛铁矿（FeTiO3）、钙钛矿（CaTiO3）和榍石（CaTiSiO5）。经济地质学家把焦点集中于钛的氧化物上，即金红石、锐钛矿和钛铁矿。这些矿物主要生长于变质的、与侵入岩有关的、第四纪沉积的和风化的四大类金红石矿床。我国已知主要金红石矿床主要有江苏东海榴辉岩型、湖北大阜山榴闪岩型、豫陕交界处八庙青山角闪片岩型、陕西凤凰尖千岩型及山西辗子沟直闪岩型5个，前四个为变质成因，后者为变质蚀变成

3、因。变质型矿床，金红石子安颗粒主要为单晶、粒度较细、分布均匀。金红石一般呈黄褐、黑褐、黑色及棕红色，为半自形、自形粒状，金刚光泽、硬度较高。由于不同地区的金红石矿，其成因、产状、矿物品位等因素都不一样。所以不同地区的金红石矿选矿方法都不一样。我国的金红石矿品位普遍偏低，一般采用多种选矿方式并存的方法进行选矿，如重选、磁选、浮选、电选、酸洗等组成的联合选矿工艺，如此才能获得高质量的金红石精矿产品。任课教师：日期：2013年5月24日中国地质大学（北京）期末考试论文专用课程名称：技术陶瓷学班号：学号：姓名：成绩：1）重选，是根据矿物的密度不同而进行分选的方法,具有生产成

4、本低,对环境污染少的优势。重选最适合于处理砂矿型金红石矿,但在分选原生金红石矿,重选作为富集手段,往往是必不可少的。2）磁选，是根据矿物的磁性及磁性的强弱,将磁性矿物与非磁性矿物及强磁性矿物与弱磁性矿物彼此分离而进行分选的方法。采用磁选作业可将导磁的钛铁矿、褐铁矿、赤铁矿、磁铁矿等上磁矿物和非导磁的金红石矿物分离。。用于金红石选别的磁选设备主要有CRG54永磁双辊磁选机、Φ885单盘磁选机和双盘磁选机、PC22Φ580mm干式磁选机、CTB269永磁筒式磁选机。3）电选，是建立在矿物导电率基础上,根据各种矿物表面导电性不同进行分选的选矿方法。由于硅酸盐、锆英石、白钛

5、石不导电,所以电选能较容易地实现导电矿物金红石与非导电矿物有效分离,进一步提高金红石精矿的品位和降低杂质含量。用于电选生产的设备有Φ120mm×1500mm双辊电选机、DSG26高压双辊电选机，YD23B高压电晕电选机4）浮选，是分选细粒金红石、降低金属损失的有效方法,具有发展前途。浮选工艺是解决我国细粒金红石矿选矿难的关键作业。许多研究单位在这一领域已作了大量的研究工作,取得了不少成果,寻找高性能捕收剂和无污染的浮选药剂制度是我国金红石浮选研究的重点5）酸洗，是为了适应精选矿物而生的工艺，金红石矿经重选、磁选、电选和浮选联合选别后,其粗精矿金红石单矿物含量仅为60

6、%以上,还有许多硅酸盐、碳酸盐、铁矿物等杂质矿物粘附在金红石边缘及裂隙,为除去这些杂质,提高精矿质量,必须采用酸洗工艺。二、氮化钛化合物粉体制备与性质：1、氮化钛的性质[6-8]氮化钛具有典型的NaCl型结构，属面心立方结构点阵。氮化钛属于“间隙原子”，其中钛原子占据面心立方的角顶。氮化钛是非计量化合物，它的组成为TiN0.6-TiN1.16任课教师：日期：2013年5月24日中国地质大学（北京）期末考试论文专用课程名称：技术陶瓷学班号：学号：姓名：成绩：。氮的含量可在一定范围内变化而不引起氮化钛的结构发生变化。由于TiN、TiC、TiO三者晶格参数接近（分别为4.

7、23nm，4.238nm，4.15nm）氮原子常被碳原子、氧原子以任意比例取代形成固溶体，氮原子的变化会引起氮化钛的物理性质发生变化如氮含量减小、碳含量增加、氮化钛的晶格参数增大、显微硬度增大、抗震性降低。TiN粉末一般呈黄褐色，超细TiN粉呈黑色，而TiN晶体则呈金黄色，具有金属光泽。TiN的熔点为3223K，理论密度为5.43-5.44g·cm-3。TiN的熔点比大多数过渡金属氮化物的高，而密度却比大多数过渡金属氮化物的低，因而它是一种很有特色的陶瓷材料。其主要物理性质如下：1）力学性能室温下，致密TiN陶瓷的莫氏硬度为8-9，显微硬度为21GPa，弹性模量