李在元，翟玉春，田彦文，王天然 | ||||
（东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110004） | ||||
| １引言 铜钼复合粉是制备铜钼复合材料的原料，其粒度大小、洁净程度、混合均匀程度等直接影响铜钼复合材料的性能［１，２］。铜钼材料具有如下特点：高电导、热导性；热膨胀系数低并可调节；特殊的高温性能；无磁性；低气体含量和良好的真空性能；良好的机加工性。铜钼材料具有广泛的应用前景：真空开关电触头；电真空器散热元件；仪器仪表元件材料；航天及武器用材。铜钼复合材料也可用作固体动密封、滑动摩擦的加强肋、高温炉的水冷电极头以及电加工电极等，其应用还可进一步开发。用本方法（化学共沉淀氢还原法）制得的铜钼复合粉与机械混合法制得的铜钼复合粉相比具有粒度小、机械杂质少、铜钼混合均匀等优点，其应用前景更加广阔。 采用化学共沉淀法制取的含铜钼化合物的前驱体粉经过热分解在氢气气氛下还原时，氧化铜在４００ ℃就可还原完全，并且由于前驱体粉粒度小，致使还原出来的小颗粒铜粉在８００ ℃就熔融粘结成大颗粒，而此时氧化钼尚未被还原完全。 本文通过对三氧化钼氢还原过程进行热力学分析，寻找得到均匀铜钼复合粉的热力学途径。 ２氢气还原ＭｏＯ３的热力学分析 依逐级转化原则，氢气还原ＭｏＯ３生成钼粉按如下两个阶段进行［３，４］ ＭｏＯ３（ｓ）＋Ｈ２（ｇ）＝ＭｏＯ２（ｓ）＋Ｈ２Ｏ（ｇ）（１） 0.５ＭｏＯ２（ｓ）＋Ｈ２（ｇ)0.５Ｍｏ（ｓ）＋Ｈ２Ｏ（ｇ)（２） 查热力学手册［５］知 Ｍｏ（ｓ）＋Ｏ２（ｇ）＝ＭｏＯ２（ｓ） （３） ΔＧ０３＝－５７８２００＋１６６５Ｔ（Ｊ·ｍｏｌ－１） Ｍｏ（ｓ）＋１５ Ｏ２（ｇ）＝ＭｏＯ３（ｓ） （４） ΔＧ０４＝－７４０１５０＋２４６７３Ｔ（Ｊ·ｍｏｌ－１） Ｈ２（ｇ）＋０５ Ｏ２（ｇ）＝Ｈ２Ｏ（ｇ） （５） ΔＧ０５＝－２４７５００＋５５８６Ｔ（Ｊ·ｍｏｌ－１） ΔＧ０１＝ΔＧ０３＋ΔＧ０５－ΔＧ０４＝ ４８００－１７７３Ｔ（Ｊ·ｍｏｌ－１） 终能否得到钼粉，就在于反应（２）能否自发进行 ΔＧ０２＝ΔＧ０５－０５ΔＧ０３＝４１６００－２７３９Ｔ（Ｊ·ｍｏｌ－１） 反应（２）正向自动进行，须 ΔＧ２＝ΔＧ０２＋ＲＴｌｎ（ＰＨＯ／ＰＨ）＜０ 依上式可计算出不同还原温度下体系ＰＨ2Ｏ／ＰＨ值，作成ＰＨ2Ｏ／ＰＨ与温度关系图，如所示。作成ｌｎ（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）与１／（Ｔ／Ｋ）关系图，如所示。 从中可看出，要降低还原温度，必须彻底除去还原系统中的水分。要在小颗粒铜粉未熔融粘结的温度下使氧化钼完全被还原，ＰＨＯ／ＰＨ必须小于０２５。 以上各式中ΔＧ０１～ΔＧ０５下脚数字表示所对应反应的标准吉布斯自由能；ΔＧ２表示反应（２）的吉布斯自由能；ＰＨＯ／ＰＨ表示反应（２）的平衡常数，即反应体系中水分压与氢气分压之间的比值；Ｒ＝８３１４ Ｊ·Ｋ－１·ｍｏｌ－１；Ｔ表示温度（Ｋ）。 ３实验部分 ３．１原料及设备 实验原料：化学共沉淀法制得的铜钼质量比为３０∶７０前驱体粉末。 实验设备：瓷舟、研钵、天平、ＷＺＫ可控硅温度控制仪和封闭还原炉系统。 ３．２实验方法 将化学共沉淀法制得的铜钼化合物超细粉放入瓷舟中，推入炉内恒温区，排除系统内的空气后，封闭系统通氢气，当气体压力达到一定值时，停止通氢气，使氢气在系统内循环。将还原炉升温至所需的温度进行还原，记录系统内压力变化，压力不变即为反应终点。冷却至室温，取出试样进行Ｘ射线和电镜分析。 ４结果与讨论 铜钼前驱体在６００ ℃，６５０ ℃下氢气恒温还原所得的样品的ＸＲＤ检测结果如，４所示，由图知，６００ ℃未还原完全，有氧化钼相存在。温度在６５０ ℃以上时还原完全。由还原样品外观看，８００ ℃还原得到的铜钼复合粉已熔融粘结成大颗粒。 用扫描电子显微镜观察铜钼复合粉的形貌如所示。由可见，由于颗粒细小难以分散，有颗粒聚集现象，但由图可看出粉体的形状基本为球形。经粒度检测仪检测其平均粒度小于７０ ｎｍ。 ５结论 １． 铜钼复合粉前驱体在氢气气氛下的还原过程包含反应为： 前驱体的脱水：ＣｕｘＨ（２ｘ－２ｙ）（ＭｏＯ４）ｙ→ｘＣｕＯ＋ｙＭｏＯ３＋（ｘ－ｙ）Ｈ２Ｏ↑； 氧化铜还原为铜：ＣｕＯ＋Ｈ２→Ｃｕ＋Ｈ２Ｏ↑； 三氧化钼依下列顺序被还原为金属钼：ＭｏＯ３→ＭｏＯ２→Ｍｏ。 ２． 改进铜钼复合粉的制备工艺，用封闭还原系统进行氢气热还原易于判断反应终点，不仅使氢气得到充分利用，而且在循环过程中，体系中水分压保持很低的值，从而降低了还原温度，小颗粒铜粉尚未熔融粘结成大颗粒之前使氧化钼在６５０ ℃下被还原完全。 ３． 封闭还原系统能彻底快速除去反应生成的水分，使反应物的湿度大大降低，确保能得到细颗粒的铜钼复合粉，其平均粒径小于７０ ｎｍ。 参考文献： ［１］吕大铭． 粉末冶金钨钼材料发展的国内外近况［Ｊ］． 粉末冶金工业，１９９７，３． ［２］吕大铭． 钼铜材料的开发和应用［Ｊ］． 粉末冶金工业，２０００，６． ［３］刘成品． 钨钼冶炼工艺及设备［Ｍ］． 北京：中国有色金属工业总公司职工教育教材编审办公室，１９８６，１６４． ［４］李洪桂． 稀有金属冶金学［Ｍ］． 北京：冶金工业出版社，１９９０，９８． ［５］梁英教，车荫昌． 无机物热力学数据手册［Ｍ］． 沈阳：东北大学，１９９３． | ||||
本文摘自《微纳电子技术》 |
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