Ảnh hưởng của năng lượng cơ học đến nhiệt độ tổng hợp TiC từ TiO2 và muội than

    Năng lượng dự trữ này sẽ cải thiện quá trình nung tổng hợp TiC sau đó. Tuy nhiên, vấn đề cốt lõi của quá trình nghiền năng lượng cao là sự hàn nguội các hạt bột khác chất lại với nhau. Điều này cho phép quá trình khuếch tán và tạo ra các hợp chất mới xảy ra ở nhiệt độ thấp. Để nghiên cứu ảnh hưởng của nghiền năng lượng cao đến quá trình tổng hợp TiC từ TiO₂ và muội than, ở đây đã sử dụng phương pháp phân tích nhiệt vi sai.

Hình 3. Đường cong DTA của mẫu không nghiền

 

Hình 4. Đường cong DTA của mẫu nghiền 18 giờ

    Hình 3 là đường cong phân tích nhiệt (DTA) của mẫu không nghiền. Từ đây thấy rằng, TiO₂ bền vững đến nhiệt độ 1386 °C. Tại nhiệt độ này, trên đường cong xuất hiện píc toả nhiệt. Píc này xuất hiện do phản ứng tạo TiC.Đường cong DTA của mẫu nghiền 18 giờ (hình 4) cho thấy một píc thu nhiệt ở nhiệt độ khoảng 980 °C. Píc này xuất hiện là do các phản ứng làm giảm hàm lượng ôxy trong hỗn hợp để tạo ra TiO. Píc toả nhiệt trên đường cong do phản ứng tạo ra TiO_xC_y bắt đầu ở nhiệt độ 1127 °C. Một píc tỏa nhiệt lớn bắt đầu xuất hiện ở nhiệt độ 1202°C, chính là kết quả của phản ứng tạo thành TiC:

(TiO_xC_y;TiO) + C → TiC + CO/CO₂ (9)

    Píc này kết thúc ở nhiệt độ khoảng 1300 °C. Như vậy có thể xem là phản ứng tạo thành TiC đã xảy ra hoàn toàn.

Hình 5. Đường cong DTA của mẫu nghiền 36 giờ

    Hình 5 là đường cong DTA của mẫu nghiền 36 giờ. Nhiệt độ bắt đầu phản ứng tạo thành TiC ở mẫu này đã giảm xuống chỉ còn 1156°C. Như vậy, nhiệt độ phản ứng tạo thành TiC đã giảm được 180°C sau 18 giờ nghiền và 230°C sau 36 giờ nghiền. Từ kết quả phân tích nhiệt vi sai, đã xác định được sự phụ thuộc của nhiệt độ bắt đầu phản ứng tạo TiC vào thời gian nghiền (bảng 1 và hình 6).

Hình 6. Sự phụ thuộc của nhiệt độ bắt đầu phản ứng tạo TiC vào thời gian nghiền

Bảng 1 Sự phụ thuộc của nhiệt độ bắt đầu phản ứng tạo TiC vào thời gian nghiền

t (giờ)	0	6	12	18	24	30	36
T (°C)	1386	1301	1230	1202	1179	1172	1156

    Thấy rằng, nhiệt độ bắt đầu tạo TiC giảm xuống theo thời gian nghiền. Tuy nhiên, sau 18 giờ nghiền thì sự suy giảm nhiệt độ ngày càng ít. Sau 24 giờ nghiền nhiệt độ bắt đầu phản ứng hầu như không thay đổi. Trong giai đoạn nghiền đến 18 giờ, nhiệt độ bắt đầu phản ứng tạo TiC giảm mạnh theo thời gian nghiền. Điều này có thể giải thích rằng, trong giai đoạn này quá trình giảm kích thước hạt, sự biến dạng trong các hạt bột và tạo ra các tiền hợp chất của TiC đang xảy ra.

    Như vậy, năng lượng dự trữ mà hỗn hợp bột nhận được tăng lên do cả 3 yếu tố trên. Sau 18 giờ, quá trình nghiền đã đạt trạng thái cân bằng: khả năng giảm kích thước hạt không còn nữa, độ biến dạng trong vật liệu đã đạt mức bão hòa. Năng lượng dự trữ mà hỗn hợp bột nhận được chỉ còn do sự tạo ra các tiền hợp chất của TiC.

    Điều đó làm cho sự phụ thuộc của nhiệt độ bắt đầu phản ứng vào thời gian nghiền giảm xuống. Sau 36 giờ nghiền, phản ứng tạo ra các tiền hợp chất của TiC đạt đến trạng thái cân bằng. Điều này làm cho nhiệt độ bắt đầu phản ứng tạo TiC phụ thuộc không đáng kể vào thời gian nghiền.

4. Kết luận

    Nghiền năng lượng cao đã cung cấp cho hỗn hợp bột TiO₂ và muội than một năng lượng dự trữ do sự giảm kích thước hạt, biến dạng mạng tinh thể hạt bột và tạo ra các tiền hợp chất của TiC. Năng lượng dự trữ này đã làm giảm nhiệt độ tổng hợp TiC.

    Nhiệt độ phản ứng tạo thành TiC đã giảm được 180 oC sau 18 giờ nghiền và 230 oC sau 36 giờ nghiền. Thời gian nghiền càng tăng càng làm giảm nhiệt độ bắt đầu phản ứng tạo thành TiC. Thời gian nghiền tối ưu cho hỗn hợp bột TiO₂ và muội than là khoảng từ 18 đến 24 giờ.

[symple_box color=”red” text_align=”left” width=”100%” float=”none”]

Tài liệu tham khảo

1. Г. В. Самсонов; Тугоплавкие соединения, Государственное научно-техническое издателъство, Москва, 1963
2. P. Kиффep, П. Швapцкoпф; Твepдыe cплaвы, Мeтaллypгиздaт, 1957
3. Г. П. Лyчинсий; Химия титана, Химия, 1971 4.
4. С. С. Кипарисов, Ю. В. Левинский; Карбид титана, Металлургия, Москва, 1987
5. Trần Quốc Lập, Phạm Ngọc Diệu Quỳnh, Huỳnh Xuân Khoa; Công nghệ tổng hợp cácbít titan từ oxít titan và muội than, Hội nghị khoa học lần thứ 20 – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 10/2006
6. M. Razavi, M. R. Rahimipour, R. Kaboli; Synthesis of TiC nanocomposite powder from impure TiO₂ and car- bon black by mechanically activated sintering, Journal of alloys and compounds, 460, 2008, 694-698
7. L. -M. Berger, P. Ettmayer and B. Schultrich; Influencing factors on the carbothermal reduction of titanium dioxide without and with simultaneous nitridation, Int. J. of refractory metals & hard materials, 12, 1993-1994, 161-172
8. L. -M. Berger, W. Gruner, E. Langholf, S. Stolle; On the mechanism of carbothermal reduction processes of TiO₂ and ZrO2, Int. J. of refractory metals & hard materials, 17, 1999, 235-243
9. C. Suryanarayana; Mechanical alloying and milling, Progress in Materials Science, 46, 2001, 1-184

[/symple_box][symple_clear_floats]