一文了解超细碳化钨的制备

碳化钨(WC)是硬质合金和金属陶瓷的重要原料，WC粉末的粒径基本上决定了硬质合金和金属陶瓷的力学性能。随着WC粉粒径的减小，硬质合金和金属陶瓷的性能显著提高；特别是当WC粉末的粒径降低到纳米级时，材料的强度、弹性模量和耐磨性等都得到显著提高，而且其韧性得到改善。

WC粉末的粒径越小，材料制备过程中所需的烧结时间就越短，同时致密化所需的温度也就越低，如纳米WC粉末在500°C开始致密化，而亚微米结构的WC粉末则在1200°C才开始致密化。所以，制备出粒径小于100nm的WC粉末可为其后续烧结过程奠定良好的基础。

超细及纳米WC粉末的制备

近年来制备超细或纳米WC粉末的方法主要有：机械合金化法、直接还原碳化法、溶胶凝胶法、气相碳化法、固定床化学气相法、等离子体法等。

1 机械合金化法

柳林等采用机械合金化法，先将W粉与C粉按原子比1：1混合后，放入钢管中并通入氩气，然后选用直径为12mm的WC磨球，采用球料比为18：1，最后在行星式球磨机上进行高能球磨，通过该方法获得了平均晶粒尺寸为7.2nm的WC粉末。马学鸣等利用机械合金化技术，将粒度约为75μm的W粉和C粉按原子比1：1混合，选用的球料比为30：1，在QM-1F行星式高能球磨机上进行球磨，球磨100h后，获得平均晶粒大小为11.3nm的WC粉末。

2 直接还原碳化法

制备超细WC粉末的还原碳化方法可以分成两大类：(1)还原碳化两步法：第一步是从含W的前驱体中分解和还原制备出W粉；第二步是将W粉与含C的物质混合并加热到高温，通过化学反应碳化生成WC粉末。采用这种方法最初是将W粉和C粉混合后在高温(1400-1600℃)下反应化合生成WC粉末。(2)还原C化一步法即直接还原碳化法：将含W的前驱体与含C物质混合后在高温下直接还原碳化生成WC粉末。采用这种方法不仅提高了WC粉末的生产效率，而且获得的WC粉末分布更加均匀和晶粒更加细小。

罗崇玲等采用直接还原碳化法获得了晶粒大小为15-30nm的WC粉末。制备方法如下：以WO3和C为原料，首先对WO3和C的混合料进行湿磨，其中C与W原子比大于1，随后将湿磨后浆料进行喷雾干燥，然后以N2作为保护气体，在高温(1000-1100℃)下还原碳化制备出WC粉末和过量C的中间产物，最后将含碳量调至(6.13±0.05)％。孙鹏采用包埋-直接还原碳化法获得纳米碳化钨粉末。还原以及化合反应在A12O3包埋装置中进行，在高温时该装置能够提供还原性气氛，从而避免WC被氧化。先对原料WO3和C进行高能球磨预处理，然后在1300℃保温3小时进行合成反应，最后再对反应产物进行高能球磨再处理，在球磨40h后制备出晶粒大小为26nm的WC粉末。

3 溶胶-凝胶法

熊仁金等采用溶胶凝胶／原位碳化法制备出纳米碳化钨粉末，制备步骤如下：先 将双氧水(H2O2的质量分数为30％)加入到W粉(200目)中，以冰醋酸和无水乙醇作为稳定剂，先制备出黄色的钨溶胶，并通过蒸发除去多余的水分，然后加入溶有酚醛树脂的无水乙醇，经过超声混合后得到含W源和C源的溶胶，将其陈化后得到凝胶，最后以H2和AR作为保护气体，再900℃碳化，制备出晶粒大小10.2nm的WC粉末。

4 气相碳化法

日本的光井彰利用气相碳化法获得了纳米碳化钨粉末，他以WCl6为W源，以CH4为气相C源，在高温下(1300-1400℃)下通过化学反应，制备出晶粒大小为20-30nm的WC粉末，并对反应物-生成物体系之间的晶粒大小关系以及反应的温度进行了较为详细论述。日本东京钨公司申请了以WO3作为W源和以CO为碳化气体的直接碳化法制备超细WC粉末的专利，其制备出的WC粉末的粒度以及含C量都能控制。

5 固定床化学气相法

李继刚等采用固定床化学气相法成功制备出15nm左右的WC粉末。以纳米WO3作为W源，用乙炔作为C源，制备步骤如下：将纳米WO3放入石英反应舟中，然后将该舟放入高温不锈钢管式反应器中；抽真空后通入H2，在660℃保温1.5h后，纳米WO3粉末被全部还原成纳米á-W粉，然后减少H2的流量，并通入乙炔，升温至800℃保温4h，纳米á-W粉末转变为WC粉末。

6 等离子体法

制备超细／纳米WC粉末还有一种常用的方法：等离子体法，利用等离子体作为热源，其温度可达4000～5000℃，在这样的高温下，粉末原料将发生分解和反应，生成所需的产物。该方法一般采用WO3，WC或W作为W源，以CH4作为C源，反应后主要生成β-WC或W2C，日本的龟山哲也等的研究表明：当CH4与WC的摩尔比大于15时，β-WC的质量分数为90％-95％，粉末粒径约10nm。TEM观察β-WC晶粒大小为5-20nm，具有良好的分数性。

参考文献：

王永. 纯碳化钨的制备工艺与性能

傅小明. 纳米碳化钨的制备技术及研究现状