氮化铈在无机复合材料方面的应用

背景及概述^[1][2]

稀土素有“工业维生素”之美称，是极其重要的战略资源，在石油、化工、冶金、纺织、陶瓷、玻璃、永磁材料等领域都有着广泛的应用。因此，对稀土化合物的研究显得十分重要。氮化铈为灰色粉末。在干燥空气中稳定，遇水被分解为氧化铈和氨，与稀硫酸反应生成硫酸铈和硫酸铵。在氢气流中加热氮化铈则产生三氢化铈和氨气。在850-900℃下，铈与氮气直接化合而得。氮化铈可以用来制作各种无机复合材料，如高性能陶瓷，半导体材料，发光材料等，而制备这些材料对氮化铈的纯度有着极高的要求。目前氮化铈的制备方法中，以高温固相直接氮化法为主。这种方法的优点在于工艺简单，成本低，杂质含量低，但其缺点也十分明显，金属Ce粉在空气中易被氧化，使得产品的纯度不高，一般氮含量在6.8wt％～8.0wt％之间，难以满足客户需求。而一些其他的制备方法，如氢化物热解法，还原法，液相法，气相法等，普遍具有工艺流程复杂，生产周期长，成本高，易引入杂质，对设备要求过高，产量低等缺点。

应用^[3-6]

氮化铈可以用来制作各种无机复合材料，如高性能陶瓷，半导体材料，发光材料等。其应用举例如下：

1. 制备混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料。该复合材料含有氧化铝和碳化钛，其特征是它还含有氮化镧、氮化铈、氮化镨、氮化钕中的至少两种化合物。制备方法是首先采用硬质合金球将将AlTiC中间合金与混合稀土和Al2O3混磨，再放入真空干燥箱里进行干燥、烘干，使粉料通过100目筛，制得混合粉体；再将混合粉体装入石墨模具中模压成型，在氮气气氛下热压烧结。该复合材料制备工艺简单，原材料成本低，尤其适合于陶瓷喷沙嘴、轴承等对耐磨性要求较高的零部件。

2. 制备一种耐腐蚀铣刀。在金属切削加工中，合理选择刀具刃形(螺旋角、前角、后角、刃倾角)是充分发挥刀具加工性能的重要条件。合理选择刀具刃形可提高刀具加工寿命，实现高速加工。有研究提供了一种耐腐蚀铣刀，铣刀由钢结硬质合金组成，钢结硬质合金原料粉末包括硬质相和钢基粘结剂，本发明铣刀中硬质相由硼化钨，碳化硅，氧化镍，氮化铈，Cr组成提高了材料的机械性能；钢基粘结剂的成分具有较高强度，再硬质相的作用下钢结硬质合金强度得到了进一步提高。

3. 制备一种电网缆线固定夹。制造电网缆线固定夹的原料粉末由(摩尔比)；铜粉30-40份，Al粉6-7份，石墨粉2-3份，Zn粉1-2份，碳化锆1-2份，三氧化二铬0.7-0.8份，V粉0.5-0.6份，碳化铬0.3-0.4份，Ni粉0.3-0.4份，氮化铈0.2-0.3份，氧化钴0.1-0.2份组成，本发明电网缆线固定夹使用了铜粉，石墨粉，Al粉，Zn粉，碳化锆，三氧化二铬，V粉，碳化铬，Ni粉，氮化铈，氧化钴原料粉末，该原料成分通过压制烧结提高了产品的强度；2)通过粉末混合，压制烧结，退火，淬火，回火等工序使制造流程集约化，降低了生产成本。

4. 对金属铈表面进行改性。金属铈作为一种重要的稀土元素，常用作还原剂、催化剂以及合金添加剂，在现代工业中具有重要而广泛的用途。但是由于金属铈化学性质非常活泼，在室温下很容易氧化腐蚀，在大气条件下很快会失去光泽而老化，从而影响其金属特性和表面外观质量。目前主要采取对金属铈进行密闭并在阴凉或煤油介质中贮存的方式以被动减缓金属铈的氧化腐蚀，但是这些方法对气密性要求高，容易对金属铈造成污染，而且贮存效果并不理想，金属铈仍然会发生较严重的氧化腐蚀。

利用双离子束溅射沉积系统，在打磨抛光的金属铈表面首先进行氩离子溅射清洗，然后进行氮化反应溅射处理生成氮化铈镀层，最后再用陶瓷靶材如氮化钛进行直接溅射，生成氮化钛陶瓷镀层，最终在铈表面形成氮化铈和氮化钛复合的双层镀层。通过对金属铈进行氮化处理和沉积氮化钛镀层，金属铈抗老化腐蚀性能明显增强，通过电化学极化曲线测试表明，处理前后金属铈腐蚀电流密度可降低约5倍，同时氮化铈和氮化钛镀层均为金黄色镀层，从而增加了金属铈的表面美观效果。

制备^[2]

一种制备上述高纯氮化铈粉体的方法，包含如下步骤：

a、将Ce粉进行液相球磨处理，所用液体介质为去离子水、有机溶剂、稀碱性溶液中的一种，液相球磨后Ce粉的粒度为1.5μm～2.5μm；

b、按照比例称取Ce粉和助剂A、C、添加剂B为原料，其中A为NH4Cl和NH4F中的至少一种，B为CeN，C为无水CeCl3，且各原料质量比为Ce粉∶A＝80∶20～95∶5，Ce粉∶(B+C)＝80∶20 ～95∶5，B∶C＝50∶50～20∶80；

c、将步骤b中所称取的Ce粉和助剂A混合均匀，并置于坩埚中；

d、在H2反应气氛下以5～10℃/min的速率升温至300～500℃，保温2～5h，然后以5 ～10℃/min的速率降温至200℃，再自然降至室温，得到一次烧结产物；

e、将一次烧结产物充分研磨，并与步骤b中称取的添加剂B和助剂C混合均匀，置于坩埚中；

f、在N2或NH3或N2和NH3的混合气氛下以5～10℃/min的速率升温至800～1200℃，并保温4～10h，然后以5～10℃/min的速率降温至200℃，再自然降至室温，得到二次烧结产 物；

g、将二次烧结产物研磨、过筛后得到高纯CeN粉体。氮化铈粉体的扫描电镜图如下：

主要参考资料

[1] 无机化合物辞典

[2] CN201611256476.7 一种高纯氮化铈粉体及其制备方法和应用

[3] CN200510044750.X混合稀土增韧补强氧化铝基陶瓷复合材料及其制备方法

[4] CN201610093100.2一种耐腐蚀铣刀

[5] CN201610216091.1一种电网缆线固定夹

[6] CN201710047335.2一种对金属铈表面进行改性的方法