一種高溫直接法制備氘化鈦的方法
【專利摘要】本發明涉及一種高溫直接法制備氘化鈦的方法，屬于材料科學與核科學交叉領域。本發明在高溫下讓金屬鈦與氘氣反應生成氘化鈦。本發明解決了氘化鈦工業化規模制備技術和制備純度問題，無復雜生產裝置，所需制備裝置簡單易購，在現有工廠條件下即可實現氘化鈦生產線的安全搭建；制備工藝簡單易操作，制備過程無高溫加減壓裝置，并且有惰性氣體保護，安全可靠；產品產量和純度較好，產品穩定性好，可以長期貯存；生產過程無“三廢”產出，對人體和環境無害，環保綠色，這對工業化大規模安全制備高純度氘化鈦及其規模應用具有重大意義。
【專利說明】一種高溫直接法制備氘化鈦的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高溫直接法制備氘化鈦的方法，屬于材料科學與核技術交叉領域。
【背景技術】
[0002]材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，與信息、能源一同構筑了世界新技術革命的三大支柱。當今世界，科技與產業醞釀著新的突破與變革，發達國家都將先進材料視為產業競爭的基礎和關鍵，將材料科技與材料產業列為發展的戰略重點。
[0003]氘元素是氫的一種穩定同位素，化學性質與氫相同，具有很高的燃燒熱值，發生化學變化可以釋放出大量熱能；氘原子結構不同于氫原子，主要應用于特種燈泡、核研究、氘核加速器的轟擊粒子、示蹤劑等特殊領域。金屬鈦對氘元素有著極強的親和力，氘化鈦含氘密度比液氫大一倍多，是一種性質穩定且富含氘元素的新材料。由于氘元素的特殊性，氘化鈦主要應用于核研究領域，例如串列加速器中，利用氘化鈦作為銫濺射負離子源陰極濺射材料產生氘負離子；在質子誘發的核反應研究中，氘化鈦常常作為金屬靶使用。氘化鈦在其他科研和應用領域同樣具有巨大發展潛力，例如氘化鈦作為含能材料添加劑使用時，氘元素和鈦元素都具有很高的燃燒熱值，發生爆轟反應時可以釋放出大量的化學熱能，從而大大增加含能材料的做功能力和爆轟威力；氘化鈦與氫化鈦原子組成存在差異，著使得兩者在化學層面有著相同的能量釋放能力，而前者在原子層面蘊藏有遠超后者的核能量，這對于研究爆轟過程中的能量釋放來源以及釋放特征，有著重要的意義和價值。
[0004]由于在過去一段時間內，氘化鈦主要應用于核研究領域，使得其需求量和使用量也比較小，研究報道也多集中在基礎研究方面。隨著氘化鈦應用領域的不斷擴大，其使用規模和需求量也必將越來越大，氘化鈦的制備生產能力以及氘化鈦的品質都面臨著極大的考驗。在一定溫度和壓力控制條件下直接通入氘氣進行反應，是制備氘化鈦的便捷方法，國內部分研究人員對該制備方法以及鈦吸氘的特性也進行了初步研究，但是由于研究人員的研究側重點不同，以及所采用的制備工藝存在著一些問題，使得難以實現氘化鈦的工業化安全規模生產。陳慶望等利用純度99.99%的鈦粉在真空下加熱，然后通入氘氣反應10h，得到氘鈦原子比大于1.5的不飽和氘化鈦粉末，用于制備氘化鈦陰極[陳慶望，王云艷，王根強等.原子能科學技術，1999，33 (4):350-352]，該方法使用原料為鈦粉，而鈦粉的工業化制備成本很聞，同時也存在著反應時間過長，氣化欽純度不聞等問題；劉文科等在研究欽表面陽極氧化層對吸氘性能影響時，使用18.3mg、厚度為13 μ m的鈦膜制備氘化鈦[劉文科，彭述明，龍興貴等.材料導報，2007，21 (12):134-136]，制備過程中，升溫速度達到15~300C /min，反應結束后，回收反應爐內氘氣[劉文科，曹小華，彭述明等.同位素，2004，17 (2):90-92]，該制備工藝側重于對氘化鈦吸氘性能和機理的基礎研究，使用原料規格高并且制備精密，與此同時，制備過程中加熱速度較快，爐內氘氣回收過程容易造成氘化鈦氘氣釋放，使轉化率和純度降低，難以適用于工業化規模生產。
[0005]結合現代工廠生產條件現狀，實現氘化鈦的工業化規模生產，快速高效地制備出高純度、低缺陷的氘化鈦，成為氘化鈦生產應用的關鍵。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為了解決現有氘化鈦無法大規模制備、產品純度低的問題，提供的一種高溫直接法制備氘化鈦的方法。
[0007]本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
[0008]一種高溫直接法制備氘化鈦的方法，具體步驟如下:
[0009]步驟一、在惰性氣體的保護下，將金屬鈦切割成小塊，在除雜質的專用溶液中洗漆，去尚子水洗后，真空干燥；
[0010] 步驟二、在惰性氣體保護下，將步驟一的小塊金屬鈦裝入耐高溫容器中；然后再整體放入高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；通過抽真空與通入惰性氣體,使高溫加熱爐艙內的氣體完全排出；
[0011]步驟三、通過抽真空與通入氘氣，置換出高溫加熱爐艙內的惰性氣體，同時使高溫加熱爐艙內處于負壓狀態；
[0012]步驟四、保持步驟三的負壓狀態，以10~50°C /min的升溫速率將溫度升至200~6000C ;然后通入氘氣；持續通入氘氣，同時以2~20°C /min的速度升溫至400~1000°C，停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，直至氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；
[0013]步驟五、將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出爐艙內的氘氣，得到氘化鈦；
[0014]所述步驟四結束后通過再次升溫能夠對氘化鈦的反應程度進行檢查，具體方法為:待氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡后，再次升溫10~50°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明爐內氣化反應達到終點；
[0015]所述除雜質的專用溶液為:10~80%的氫氧化鈉溶液、98%的濃硫酸、98%濃硫酸和硫酸銨質量比為(5~30):1的混合液、I~20%的氫氟酸溶液。
[0016]有益效果
[0017]1、本發明的一種高溫直接法制備氘化鈦的方法，裝置簡單，容易操作，適應現有工業化生產設備條件；實現了氘化鈦從實驗室基礎理論研究及小規模生產到工業化生產的轉化，大大提高了氘化鈦的制備產量和工業規模；生產過程安全可靠；
[0018]2、本發明的一種高溫直接法制備氘化鈦的方法，制的的產品產率和純度較好，該方法制備氘化鈦的轉化率為96.00~99.99%，純度為96.00~99.99% ；
[0019]3、本發明的一種高溫直接法制備氘化鈦的方法，所得產品質量好，貯存安全穩定；生產過程無“三廢”排放，對人體和環境無危害，清潔環保無污染。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1氘化鈦制備裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021 ] 下面結合實施例對本發明的內容作進一步描述。
[0022]實施例1
[0023]在氬氣保護下，將粒徑2mm、純度99.99%的鈦塊于40%的氫氧化鈉溶液中70°C洗滌20min，在去離子水洗4次后，真空干燥；稱取700g，裝入石英玻璃管，并置于高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙，如圖1所示；用氬氣置換加熱爐艙內氣體后，將艙內壓力抽至負壓為0.024MPa,然后通入99.999%高純氣氣至常壓狀態，反復操作3次后,保持艙內為負壓狀態；以30°C /min的升溫速率快速將爐艙內溫度升至481°C，通入高純氘氣，控制流速為2406ml/min不變，反應40min后，繼續以12°C /min的速度升溫36min至783°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應63min后，此時氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；再次升溫27°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明爐內氘化反應達到終點，共通入59.72g氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，并用氬氣置換艙內多余氘氣，即得到756.71g制備好的氘化鈦(表面大量開裂，裂口縱橫交錯，脆硬)，在空氣中室溫條件下研磨成細粉，過100目篩，即得所需粒徑的氘化鈦粉，進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法制備氘化鈦的轉化率為96.95%，氘化鈦純度為97.18%。
[0024]實施例2:
[0025]在氬氣保護下，將粒徑10mm、純度99.99%的鈦塊于40%的氫氧化鈉溶液中50°C洗滌45min，在去離子水洗7次后，真空干燥；稱取2000g，裝入石英玻璃管，并置于高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；用氬氣置換加熱爐艙內氣體后，將艙內壓力抽至負壓為0.015MPa,然后通入99.999%高純氘氣至常壓狀態，反復操作3次后，保持艙內為負壓狀態；以40°C /min的升溫速率快速將爐艙內溫度升至458°C，通入高純氘氣，控制流速為4674ml/min不變，反應48min后，繼續以10°C /min的速度升溫47min至776°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應83min后，此時氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；再次升溫35 0C，氘氣壓力表出現波動；保持該溫度繼續通氘氣反應20min后，再次升溫8°C，氘氣壓力表示數無變化，表明爐內氘化反應達到終點，共通入165.24g氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，并用氬氣置換艙內多余氘氣，即得到2162.25g制備好的氘化鈦(表面大量開裂，裂口縱橫交錯，脆硬)，在空氣中室溫條件下研磨成細粉，過300目篩，即得所需粒徑的氘化鈦粉，進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法制備氘化鈦的轉化率為97.08%，氘化鈦純度為97.30%。
[0026]實施例3:
[0027]在氬氣保護下，將粒徑2mm、純度99.99%的鈦塊于乙醇中沸騰30min，然后于98%的濃硫酸中80V洗潘20min，在去離子水洗5次后，真空干燥；稱取750g，裝入石英玻璃管，并置于高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；用氬氣置換加熱爐艙內氣體后，將艙內壓力抽至負壓為0.020MPa,然后通入99.999 %高純氣氣至常壓狀態,反復操作3次后,保持艙內為負壓狀態；以20°C /min的升溫速率將爐艙內溫度升至421°C，通入高純氘氣，控制流速為2972ml/min不變，反應42min后，繼續以16°C /min的速度升溫32min至爐艙溫度為792°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應48min后，此時氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；再次升溫15°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明爐內氘化反應達到終點，共通入64.75g氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，并用氬氣置換艙內多余氘氣，即得到811.75g制備好的氘化鈦(表面大量開裂，裂口縱橫交錯，脆硬)，在空氣中室溫條件下研磨成細粉，過100目篩，即得所需粒徑的氘化鈦粉，進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法制備氘化鈦的轉化率為98.52%，氘化鈦純度為98.63%。
[0028]實施例4:
[0029]在氬氣保護下，將粒徑25mm、純度99.99%的鈦塊于乙醇中沸騰30min，然后于98%的濃硫酸中60°C洗滌30min，在去離子水洗5次后，真空干燥；稱取1500g，裝入不銹鋼制得的敞口管，并置于高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；用氬氣置換加熱爐艙內氣體后，將艙內壓力抽至負壓為0.020MPa，然后通入99.999%高純氘氣至常壓狀態，反復操作4次后，保持艙內為負壓狀態；以10°C /min的升溫速率將爐艙內溫度升至236°C，通入高純氘氣，控制流速為3631ml/min不變，反應28min后，繼續以5°C /min的速度升溫135min至爐艙溫度為902°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應32min后，此時氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；再次升溫5°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明爐內氘化反應達到終點，共通入126.43g氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，并用氬氣置換艙內多余氘氣，即得到1623.44g制備好的氘化鈦(表面大量開裂，裂口縱橫交錯，脆硬)；該方法制備氘化鈦的轉化率為98.48 %，氘化鈦純度為98.60 %。
[0030]實施例5:
[0031]在氬氣保護下，將粒徑12mm、純度99.99%的鈦塊于乙醇中沸騰30min，室溫空氣干燥后，于98%濃硫酸和硫酸銨質量比為20:1的混合液中70°C洗滌20min，在去離子水洗5次后，真空干燥；稱取500g，裝入石英玻璃管，并置于高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；用氬氣置換加熱爐艙內氣體后，將艙內壓力抽至負壓為0.025MPa，然后通入99.999%高純氘氣至常壓狀態，反復操作3次后，保持艙內為負壓狀態；以45°C /min的升溫速率將爐艙內溫度升至508°C，通入高純氘氣，控制流速為1317ml/min不變，反應62min后，繼續以3°C /min的速度升溫38min至602°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應58min后，此時氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；再次升溫50°C，氘氣壓力表出現波動，保持氘氣流速不變，繼續反應30min;再次升溫35°C，氘氣壓力表無波動，表明爐內氘化反應達到終點，共通入44.22g氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，并用氬氣置換艙內多余氘氣，即得到541.20g制備的好氘化鈦(表面大量開裂，裂口縱橫交錯，脆硬)，在空氣中室溫條件下研磨成細粉，過300目篩，即得所需粒徑的氘化鈦粉，進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法制備氘化鈦的轉化率為98.61%，氘化鈦純度為98.72%。
[0032]實施例6:
[0033]在氬氣保護下，將粒徑30mm、純度99.99%的鈦塊于乙醇中沸騰30min，室溫空氣干燥后，于98%濃硫酸和硫酸銨質量比為20:1的混合液中50°C洗滌40min，在去離子水洗6次后，真空干燥；稱取1800g，裝入石英玻璃管，并置于高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；用氬氣置換加熱爐艙內氣體后，將艙內壓力抽至負壓為0.016MPa，然后通入99.999%高純氘氣至常壓狀態，反復操作3次后，保持艙內為負壓狀態；以25°C /min的升溫速率將爐艙內溫度升至315°C，通入高純氘氣，控制流速為3357ml/min不變，反應72min后，繼續以50C /min的速度升溫127min至爐艙溫度為853°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應53min后，此時氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；再次升溫18°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明爐內氘化反應達到終點，共通入151.07g氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，并用氬氣置換艙內多余氘氣，即得到1648.09g制備的好氘化鈦(表面大量開裂，裂口縱橫交錯，脆硬)，進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法制備氘化鈦的轉化率為98.45 %，氘化鈦純度為98.57 %。
[0034]實施例7:
[0035]在氬氣保護下，將粒徑5mm、純度99.99%的鈦塊于乙醇中沸騰30min，然后于5%的氫氟酸溶液中室溫洗滌40min，去離子水洗5次后，真空干燥；稱取700g，裝入石英玻璃管，并置于高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；用氬氣置換加熱爐艙內氣體后，將艙內壓力抽至負壓為0.022MPa,然后通入99.999%高純氣氣至常壓狀態,反復操作3次后,保持艙內為負壓狀態；以32°C /min的升溫速率將爐艙內溫度升至527°C，通入高純氘氣，控制流速為2898ml/min不變，反應82min后，繼續以15°C/min的速度升溫21min至爐艙溫度為803°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應15min后，此時氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；再次升溫30°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明爐內氘化反應達到終點，共通入61.09g氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，并用氬氣置換艙內多余氘氣，即得到758.07g制備好的氘化鈦(表面大量開裂，裂口縱橫交錯，脆硬)，進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法制備氘化鈦的轉化率為99.28%，氘化鈦純度為99.34%。
[0036]實施例8:
[0037]在氬氣保護下，將粒徑30mm、純度99.99%的鈦塊于乙醇中沸騰30min，然后于12%的氫氟酸溶液中室溫洗滌30min，在去離子水洗7次后，真空干燥；稱取3500g，裝入石英玻璃管，并置于高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；用氬氣置換加熱爐艙內氣體后，將艙內壓力抽至負壓為0.014MPa,然后通入99.999 %高純氘氣至常壓狀態，反復操作4次后，保持艙內為負壓狀態；以35°C /min的升溫速率將爐艙內溫度升至402°C，通入高純氘氣，控制流速為9709ml/min不變，反應48min后，繼續以6°C /min的速度升溫62min至爐艙溫度為708°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應29min后，此時氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；再次升溫50°C，氘氣壓力表出現波動，保持氘氣流速不變，繼續反應30min ;再次升溫45°C，氘氣壓力表無波動，表明爐內氘化反應達到終點，共通入293.0lg氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，并用氬氣置換艙內多余氘氣，即得到3789.99g制備好的氘化鈦(表面大量開裂，裂口縱橫交錯，脆硬)，進行真空包裝可得到能安全貯存的產品，該方法制備氘化鈦的轉化率為99.15%，氘化鈦純度為99.22%。
【權利要求】
1.一種高溫直接法制備氘化鈦的方法，其特征在于:具體步驟如下: 步驟一、在惰性氣體的保護下，將金屬鈦切割成小塊，在除雜質的專用溶液中洗滌，去離子水洗后，真空干燥； 步驟二、在惰性氣體保護下，將步驟一的小塊金屬鈦裝入耐高溫容器中；然后再整體放入高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；通過抽真空與通入惰性氣體,使高溫加熱爐艙內的氣體完全排出； 步驟三、通過抽真空與通入氘氣，置換出高溫加熱爐艙內的惰性氣體，同時使高溫加熱爐艙內處于負壓狀態； 步驟四、保持步驟三的負壓狀態，以10~50°C /min的升溫速率將溫度升至200~6000C ;然后通入氘氣；持續通入氘氣，同時以2~20°C /min的速度升溫至400~1000°C，停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，直至氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡； 步驟五、將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出爐艙內的氘氣，得到氘化鈦。
2.如權利要求1所述的一種高溫直接法制備氘化鈦的方法，其特征在于:所述步驟四結束后通過再次升溫能夠對氘化鈦的反應程度進行檢查，具體方法為:待氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡后，再次升溫10~50°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明爐內氣化反應達到終點。
3.如權利要求1所述的一種高溫直接法制備氘化鈦的方法，其特征在于:步驟一所述除雜質的專用溶液為:10~80%的氫氧化鈉溶液、98%的濃硫酸、98%濃硫酸和硫酸銨質量比為(5~30):1的混合液、I~20%的氫氟酸溶液。
【文檔編號】C01G23/00GK104176773SQ201410458138
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】劉吉平, 劉曉波 申請人:北京理工大學