近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部熱控功能材料研究團(tuán)隊(duì)在碳化鎢納米粉體的合成方面取得新進(jìn)展，成功解決了液相法制備粉體材料游離碳含量較高的問題，相關(guān)成果發(fā)表在國際期刊Ceramics International 上。

碳化鎢（WC）材料被廣泛用作航天航空、新能源等精密加工制造領(lǐng)域的切削工具。然而，隨著鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼等難加工材料的發(fā)展，WC類切削刀具在使用過程中逐漸出現(xiàn)切削溫度高、切削力大以及刀具磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)WC基硬質(zhì)合金的力學(xué)性能提出新要求。根據(jù)以往的研究發(fā)現(xiàn)，低游離碳含量以及超細(xì)晶粒尺寸可以顯著提高WC的硬度等力學(xué)性能。液相法是合成高純超細(xì)WC粉體的有效工藝途徑，然而，液相法中所使用的碳源一般為有機(jī)物，復(fù)雜的化學(xué)絡(luò)合反應(yīng)以及熱解反應(yīng)會(huì)使WC粉體產(chǎn)品中有高含量的游離碳。因此，如何優(yōu)化液相法制備低游離碳含量的高純超細(xì)WC粉體具有重要意義。

針對(duì)上述問題，固體所研究人員提出采用偏鎢酸氨水合物（Ammonium Metatungstate，AMT）來優(yōu)化以W、O、C為主要元素的分子級(jí)前驅(qū)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這一過程中，AMT經(jīng)過與液相中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物HCl反應(yīng)而均勻的溶解其中，利用其自身的W和O元素來消耗液相法多余的碳含量，以此來實(shí)現(xiàn)低游離碳含量WC粉體的制備。再經(jīng)過碳熱還原和滲碳反應(yīng)，將WC產(chǎn)物中游離碳含量從5.7 wt.%降低至1.1 wt.%，獲得了粒徑＜200 nm的高純WC粉體。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)類球形WC顆粒形貌是由直徑較細(xì)的纖維狀或棒狀中間熱解產(chǎn)物經(jīng)過裂解及滲碳過程所誘導(dǎo)形成的。隨著游離碳含量的降低，WC陶瓷塊體的相對(duì)致密度從41.6%提高至90.2%，同時(shí)其硬度值在1 Kg的載荷下，從2.5 GPa提升至19.3 GPa。力學(xué)性能的顯著提高說明游離碳的降低對(duì)WC陶瓷的燒結(jié)性能具有良好的改善。

該工作闡明了液相法合成WC粉體過程中前驅(qū)體原料絡(luò)合機(jī)制和WC粉體的降碳機(jī)理，為具有低游離碳含量的高純超細(xì)陶瓷粉體材料的研制提供了新思路。

上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項(xiàng)、合肥物質(zhì)院院長基金等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.01.432

圖1. WC前驅(qū)體的反應(yīng)機(jī)理和煅燒過程示意圖。

圖2. 不同游離碳含量的WC粉末樣品SEM圖像：（a）WC-0A，（b）WC-3A，（c）WC-4A；三種WC粉體的放電等離子燒結(jié)試樣的（d）游離碳含量，（e）光學(xué)圖像，（f）相對(duì)密度和硬度；（g-h）不同燒結(jié)樣品的SEM圖像。