高松比氧化铌粉体制备技术研究

冯美兵

（九江有色金属冶炼有限公司，江西 九江 ）

铌属高熔点、高沸点稀有金属，钢灰色泽，富延展性和抗腐蚀性。铌新材料可应用领域包括：电子、精密陶瓷和精密玻璃工业；电声光器件；硬质合金、宇航及电子能工业；生物医学工程；超导工业；特种钢等产业。氧化铌以其优越的物理化学性能广泛应用于冶金、电子、光学玻璃等行业。如钢铁中添加铌，可大大降低钢材的塑性-脆性转变温度，改善韧性和抗冲击性能；以五氧化二铌为原料制取的陶瓷电容器体积小、容量大、绝缘性好；含氧化铌的光学玻璃，折射率高、重量轻，耐腐蚀性能优越；用作原料制取铌碳化物广泛应用于硬质合金工业；采用还原工艺制取金属铌粉末和各种高性能加工材；氧化铌为原料制取铌酸锂晶体用于制作声光、电光和超声器件等等。近年来，随着科技的快速发展，氧化铌在精密光学玻璃、光波导器件、光纤通讯、传感技术，特别是雷达、电子对抗、导航等尖端技术等方面的应用更加广泛。

随着氧化铌应用领域及其产业的发展，对氧化铌粉体的使用性能要求越来越高，不仅要求有较高的纯度，还表现在粒径、比表面积、松装比重、粒度分布等物理性能方面，如球形氧化铌（电镜显示为近球形）、高松比氧化铌（松装比重≥1g/cm3）、流动性氧化铌等，针对影响氧化铌粉体物性的一个关键工序——沉淀过程，本文选取了氟铌酸浓度、沉淀速度这两个主要因素进行了研究，并在此研究基础上成功试制出高松比氧化铌。

1 单因素试验

沉淀时在沉淀槽中放入氟铌酸溶液，加入氨沉淀至终点，再经过滤、调洗、烘干、推舟炉煅烧、筛分得到氧化铌粉体。

试验条件：搅拌速度30rpm，氨压0.3MPa，结晶沉淀终点pH=9，洗涤、烘干，采用800-1000℃煅烧8小时，冷却后过60目筛分。

1.1 氟铌酸浓度的影响

氟铌酸浓度控制在90g/l～160g/l，结果见表1。

表1 氟铌酸浓度对氧化铌物性的影响效果

试验结果表明，氟铌酸溶液的浓度对制取的氧化铌粉体的物理性有着显著的相关关系，在氟铌酸溶液的浓度小于150g/L时，氧化铌粉体的Fsss、松比、D50随着浓度的升高而增大，呈正相关，但当浓度大于150g/L后，Fsss、松比和D50反而降低，其原因可能是起始浓度过高，加入氨后反应速度加快，瞬间成核急速增加，成核速率远大于长大速率，结晶晶核多，溶液浓度下降快而导致晶体细化；随着浓度的升高，粉体各阶段粒径的分布均同步呈正相关上升。

1.2 沉淀速度的影响

沉淀速度为42min/槽～148min/槽，氧化铌物性结果见表2。

表2 不同沉淀速度制取氧化铌物性比较

从表2可知，沉淀速度对制取的氧化铌粉体的物理性能有着显著的相关关系，氧化铌粉体的费式平均粒径、松比随着沉淀时间的增加而增大，呈正相关；从粒度分布的情况来看，随着沉淀时间的增加，粉体各阶段粒径的分布均同步呈正相关上升。

1.3 结论

在沉淀反应时，氨首先在溶液中扩散，在充氨管附近形成较高的过饱和度生成晶核，通过搅拌和气体的冲击作用，在周围形成较低的过饱和度，晶核长大；氧化铌粒度分布宽，氢氧化铌在整个反应过程中自始至终都存在成核，说明溶液中氟铌酸的浓度在非常低的情况下，只要有一定量的氨加入，仍可形成足够大的过饱和度生成晶核；在沉淀过程中，自始至终几乎存在着晶核的生成和晶核的长大。

粉体的粒径、松比、D50等物理特性与溶液浓度和沉淀速度高度相关。在相同的氨的加入速度下，溶液浓度越低，沉淀时间越短，制取的粉体粒径越小；反之，浓度越高，沉淀时间越长，粉体粒径越大；在相同的浓度下，氨的加入速度越快，沉淀时间越短，制取的粉体粒径越小；反之，氨的加入速度越快，沉淀时间越长，粉体粒径越大。因此，在一定浓度范围内，可通过控制溶液浓度大小和沉淀速度快慢来制得不同粒径和松比的粉体。

2 高松比氧化铌粉体的制备

利用转子流量计准确、直观计量和控制氨加入量，安装变频器调整搅拌转速。在氟铌酸浓度170.8g/L、沉淀时间227min、搅拌速度20rpm的条件下，沉淀至pH=9，洗涤、烘干后在880℃下煅烧8小时，冷却后过60目筛分，制备出Fsss 10.2μm、松比1.18g/cm3的氧化铌粉体。

由此可知，氧化铌粉体符合粉末的物理特征，粒径越大，其松装比重相应增大。因此，要想得到大松比的氧化铌粉体，必须较大幅度提高其费氏平均粒径；如想得到小松比的粉体，则应降低其费氏平均粒径。

3 结语

（1）采用氨沉淀沉淀氟铌酸制备氢氧化铌的结晶原理，符合溶液体结晶依靠过饱和度和超溶解度推动的动力学理论，粉末的形成包括晶核的生成和晶核的长大，氢氧化铌在碱性溶液的微溶性，推动晶核长大的介稳区过饱和度范围很窄，沉淀过程自始至终存在着晶核的生成和晶核的长大，粒度分布宽。

（2）氧化铌粉体符合粉末的物理特征，粒径越大，其松装比重相应增大，但松比的提高幅度不及费氏平均粒径。因此，要想得到大松比的氧化铌粉体，必须较大幅度提高其费氏平均粒径；如想得到小松比的粉体，则应降低其费氏平均粒径。

（3）氟铌酸溶液的浓度和沉淀沉淀速度对粉体的物性有显著的相关性，浓度低、反应速度快，粉体的粒径小，反之，粉体的粒径变大。通过控制适当的溶液浓度和沉淀速度，可以获取一定范围粒径的粉体。

（4）在一定溶液浓度下，通过控制氨的加入速度改变沉淀时间，选取相应的装置，可以控制结晶器内溶液的过饱和度来生产制取费氏平均粒径≤0.5μm的超细氧化铌粉体，也可以生产制取费氏平均粒径＞7μm的超粗氧化铌粉体。