高松比氧化鈮粉體制備技術(shù)研究

馮美兵

（九江有色金屬冶煉有限公司，江西 九江 ）

鈮屬高熔點、高沸點稀有金屬，鋼灰色澤，富延展性和抗腐蝕性。鈮新材料可應(yīng)用領(lǐng)域包括：電子、精密陶瓷和精密玻璃工業(yè)；電聲光器件；硬質(zhì)合金、宇航及電子能工業(yè)；生物醫(yī)學(xué)工程；超導(dǎo)工業(yè)；特種鋼等產(chǎn)業(yè)。氧化鈮以其優(yōu)越的物理化學(xué)性能廣泛應(yīng)用于冶金、電子、光學(xué)玻璃等行業(yè)。如鋼鐵中添加鈮，可大大降低鋼材的塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，改善韌性和抗沖擊性能；以五氧化二鈮為原料制取的陶瓷電容器體積小、容量大、絕緣性好；含氧化鈮的光學(xué)玻璃，折射率高、重量輕，耐腐蝕性能優(yōu)越；用作原料制取鈮碳化物廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金工業(yè)；采用還原工藝制取金屬鈮粉末和各種高性能加工材；氧化鈮為原料制取鈮酸鋰晶體用于制作聲光、電光和超聲器件等等。近年來，隨著科技的快速發(fā)展，氧化鈮在精密光學(xué)玻璃、光波導(dǎo)器件、光纖通訊、傳感技術(shù)，特別是雷達(dá)、電子對抗、導(dǎo)航等尖端技術(shù)等方面的應(yīng)用更加廣泛。

隨著氧化鈮應(yīng)用領(lǐng)域及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對氧化鈮粉體的使用性能要求越來越高，不僅要求有較高的純度，還表現(xiàn)在粒徑、比表面積、松裝比重、粒度分布等物理性能方面，如球形氧化鈮（電鏡顯示為近球形）、高松比氧化鈮（松裝比重≥1g/cm3）、流動性氧化鈮等，針對影響氧化鈮粉體物性的一個關(guān)鍵工序——沉淀過程，本文選取了氟鈮酸濃度、沉淀速度這兩個主要因素進(jìn)行了研究，并在此研究基礎(chǔ)上成功試制出高松比氧化鈮。

1 單因素試驗

沉淀時在沉淀槽中放入氟鈮酸溶液，加入氨沉淀至終點，再經(jīng)過濾、調(diào)洗、烘干、推舟爐煅燒、篩分得到氧化鈮粉體。

試驗條件：攪拌速度30rpm，氨壓0.3MPa，結(jié)晶沉淀終點pH=9，洗滌、烘干，采用800-1000℃煅燒8小時，冷卻后過60目篩分。

1.1 氟鈮酸濃度的影響

氟鈮酸濃度控制在90g/l～160g/l，結(jié)果見表1。

表1 氟鈮酸濃度對氧化鈮物性的影響效果

試驗結(jié)果表明，氟鈮酸溶液的濃度對制取的氧化鈮粉體的物理性有著顯著的相關(guān)關(guān)系，在氟鈮酸溶液的濃度小于150g/L時，氧化鈮粉體的Fsss、松比、D50隨著濃度的升高而增大，呈正相關(guān)，但當(dāng)濃度大于150g/L后，F(xiàn)sss、松比和D50反而降低，其原因可能是起始濃度過高，加入氨后反應(yīng)速度加快，瞬間成核急速增加，成核速率遠(yuǎn)大于長大速率，結(jié)晶晶核多，溶液濃度下降快而導(dǎo)致晶體細(xì)化；隨著濃度的升高，粉體各階段粒徑的分布均同步呈正相關(guān)上升。

1.2 沉淀速度的影響

沉淀速度為42min/槽～148min/槽，氧化鈮物性結(jié)果見表2。

表2 不同沉淀速度制取氧化鈮物性比較

從表2可知，沉淀速度對制取的氧化鈮粉體的物理性能有著顯著的相關(guān)關(guān)系，氧化鈮粉體的費式平均粒徑、松比隨著沉淀時間的增加而增大，呈正相關(guān)；從粒度分布的情況來看，隨著沉淀時間的增加，粉體各階段粒徑的分布均同步呈正相關(guān)上升。

1.3 結(jié)論

在沉淀反應(yīng)時，氨首先在溶液中擴(kuò)散，在充氨管附近形成較高的過飽和度生成晶核，通過攪拌和氣體的沖擊作用，在周圍形成較低的過飽和度，晶核長大；氧化鈮粒度分布寬，氫氧化鈮在整個反應(yīng)過程中自始至終都存在成核，說明溶液中氟鈮酸的濃度在非常低的情況下，只要有一定量的氨加入，仍可形成足夠大的過飽和度生成晶核；在沉淀過程中，自始至終幾乎存在著晶核的生成和晶核的長大。

粉體的粒徑、松比、D50等物理特性與溶液濃度和沉淀速度高度相關(guān)。在相同的氨的加入速度下，溶液濃度越低，沉淀時間越短，制取的粉體粒徑越??；反之，濃度越高，沉淀時間越長，粉體粒徑越大；在相同的濃度下，氨的加入速度越快，沉淀時間越短，制取的粉體粒徑越?。环粗?，氨的加入速度越快，沉淀時間越長，粉體粒徑越大。因此，在一定濃度范圍內(nèi)，可通過控制溶液濃度大小和沉淀速度快慢來制得不同粒徑和松比的粉體。

2 高松比氧化鈮粉體的制備

利用轉(zhuǎn)子流量計準(zhǔn)確、直觀計量和控制氨加入量，安裝變頻器調(diào)整攪拌轉(zhuǎn)速。在氟鈮酸濃度170.8g/L、沉淀時間227min、攪拌速度20rpm的條件下，沉淀至pH=9，洗滌、烘干后在880℃下煅燒8小時，冷卻后過60目篩分，制備出Fsss 10.2μm、松比1.18g/cm3的氧化鈮粉體。

由此可知，氧化鈮粉體符合粉末的物理特征，粒徑越大，其松裝比重相應(yīng)增大。因此，要想得到大松比的氧化鈮粉體，必須較大幅度提高其費氏平均粒徑；如想得到小松比的粉體，則應(yīng)降低其費氏平均粒徑。

3 結(jié)語

（1）采用氨沉淀沉淀氟鈮酸制備氫氧化鈮的結(jié)晶原理，符合溶液體結(jié)晶依靠過飽和度和超溶解度推動的動力學(xué)理論，粉末的形成包括晶核的生成和晶核的長大，氫氧化鈮在堿性溶液的微溶性，推動晶核長大的介穩(wěn)區(qū)過飽和度范圍很窄，沉淀過程自始至終存在著晶核的生成和晶核的長大，粒度分布寬。

（2）氧化鈮粉體符合粉末的物理特征，粒徑越大，其松裝比重相應(yīng)增大，但松比的提高幅度不及費氏平均粒徑。因此，要想得到大松比的氧化鈮粉體，必須較大幅度提高其費氏平均粒徑；如想得到小松比的粉體，則應(yīng)降低其費氏平均粒徑。

（3）氟鈮酸溶液的濃度和沉淀沉淀速度對粉體的物性有顯著的相關(guān)性，濃度低、反應(yīng)速度快，粉體的粒徑小，反之，粉體的粒徑變大。通過控制適當(dāng)?shù)娜芤簼舛群统恋硭俣?，可以獲取一定范圍粒徑的粉體。

（4）在一定溶液濃度下，通過控制氨的加入速度改變沉淀時間，選取相應(yīng)的裝置，可以控制結(jié)晶器內(nèi)溶液的過飽和度來生產(chǎn)制取費氏平均粒徑≤0.5μm的超細(xì)氧化鈮粉體，也可以生產(chǎn)制取費氏平均粒徑＞7μm的超粗氧化鈮粉體。