一、選題的依據及意義
奈米材料自問世以來, 因其具有特異的效能, 幾乎滲透到各個學科和各個工程技術領域, 引起了世界性的開發熱潮。美國、日本、英國、德國、澳大利亞等都有國家級的奈米材料研究計劃和實驗中心。硬質合金被譽為“工業的牙齒” 。近幾十年來, 航空航天、汽車等行業使用材料的效能不斷提高, 輕質強韌材料的使用日漸增多, 加工難度日益增大，碳化鎢粉(WC)是生產硬質合金的主要原料。奈米晶硬質合金是近年來發展起來的工具材料, 它是以奈米級的WC 粉末為基礎原料, 在新增適當粘結劑和晶粒長大抑制劑的條件下, 生產出的具有高硬度、高耐磨性和高韌性的硬質合金材料, 其效能比常規硬質合金明顯提高，在難加工金屬材料刀具、電子行業的微型鑽頭、精密模具、醫學等領域已呈現出越來越廣泛的用途。
碳化鎢的晶粒尺寸決定了硬質合金的綜合力學效能，隨著晶粒尺寸的減小，其效能將會得到顯著提高，如果我們將碳化鎢粉的晶粒尺寸減小到奈米級時，碳化鎢的強硬度，彈性模量以及耐磨性都會有個更高層次的飛躍，以使得所得硬質合金強韌性都會得到改善。另外, 碳化鎢因其具有類似鉑的表面電子特性, 因此被用來代替鉑等貴金屬作為催化劑應用在某些有機反應中。WC的製備方法、表面組成與結構等對催化活性均存在較大的影響[1] , 目前最行之有效的方法是將WC晶粒細化, 達到微米及奈米級以增大其反應的真實表面積, 提高WC及其複合物的催化活性。但由於製備碳化物時碳化物表面因附有一些未反應的遊離碳而減少了有效接觸面積而導致催化效率的降低，這也是近幾十年來人們一直想解決的難題之一。
二、 國內外研究現狀及發展趨勢
1923年德國的Schroter發明了碳化鎢硬質合金；二十世紀七十年代，人們又發現烴可在碳化鎢上發生氫解，碳化鎢因其具有類似的表面電子特性，因此而被用來替代鉑等貴重金屬作為催化劑運用在某些有機反應中；自人們認識到奈米材料的優越性以來，製備奈米碳化鎢成為國內外研究的熱點之一。
目前，國內外報道製備奈米ＷＣ粉末的方法很多，主要分為固相法、液相法和氣相法三大類。以下綜述了近來這三大類製備奈米ＷＣ方法的技術進展和研究現狀，同時還指出了不同製備方法的優點及存在的問和可能解決的途徑，為該領域的科
學研究提供參考。
1. 固相法
（高能球磨法）柳林等[2]利用高能球磨法將石墨粉和鎢粉按原子摩爾比1:1的比例置於球磨機中，在氫氣保護下球磨110ｈ，製備出了粒徑為7.2nm的ＷＣ粉末。該方法的`優點是簡單易行、效率高，所制粉末晶粒尺寸小；其缺點是罐體和球體摩擦容易造成粉末汙染，粉末易於聚整合團且不易分散，給後續工序的加工帶來困難，能耗高等。
（微波法）李會謙等[3]採用酚醛樹脂作為供碳源，研究了微波加熱對奈米鎢粉碳化過程的作用。研究發現，在微波碳化時只依靠鎢粉自身發熱不能完成碳化過程，而採用加入微波吸收物質的混合加熱方式能提供足夠的熱量而得到完全的ＷＣ相。微波碳化時間很短，能有效防止ＷＣ的過分長大。平均粒徑50nm的鎢粉經微波加熱碳化，可得到平均粒徑為84nm的ＷＣ粉末。
（低溫碳化法）劉瑞等[4]採用低溫碳化法，以奈米鎢粉為原料製備出了粒徑小於100nm的ＷＣ粉末。其研究還發現，當分別利用有機碳、活性碳和工業碳為碳源時，所製備ＷＣ粉末的粒徑呈依次增大規律。
2.液相法
（溶劑熱法）曾江華等[5]用鎂作還原劑，以無水乙醇和三氧化鎢分別作為碳源和鎢源，採用簡單的溶劑熱法進行了合成奈米ＷＣ的研究。研究發現，合成溫度低至500℃時也能合成六方ＷＣ相。生成Ｃ的量超過Ｗ的量，說明純化後的產物由Ｃ和ＷＣ組成。ＷＣ的粒徑在40-70nm之間，分佈於膜狀碳上。將溶劑熱法制備出的ＷＣ加入Pt/C中，其協同催化氧還原效果非常明顯，起峰電勢與Pt/C催化劑相比正移了173mV。
（形狀記憶法）Keller N等[6]用多壁碳奈米管，通過形狀記憶合成合成了一維奈米ＷＣ。具體步驟為：取開口純淨多壁碳奈米管（平均內徑50nm，外100nm，長度約200um）浸入20ml五水仲鎢酸銨溶液中，於80℃劇烈攪拌20min,得到的溶液在室溫下自然蒸發，然後放置過夜，並將溫度控制在120℃進一步乾燥，最後在350℃時煅燒2.0h形成ＷＣ前驅體；在真空條件下，控制溫度100-300℃處理前驅體，即可得到一維奈米ＷＣ。
3.氣相法
(氣相碳化法)郭志猛等[7]發明了一種利用甲醇的低溫氣相碳化法，以所製備平均粒徑為21nm和比表面積為54m2/ｇ的三氧化鎢粉作原料，甲醇作碳源，在Co／Fe催化劑的作用下於450-950℃溫度反應1.5-4.0ｈ，即得到奈米ＷＣ粉末。其基本過程為：採用甲醇低溫催化裂解，甲醇通過液泵流量計進入預熱管道，預熱管溫度控制在300-420℃；將甲醇預熱氣化後，送入催化裂解器，在420-550℃即可使甲醇氣裂解，得到所需的反應氣氛CO和Ｈ2；CO和Ｈ2與奈米三氧化物粉反應1.5-4.0ｈ，脫去氧原子生成奈米WC。該方法的優點是成本低，裂解效率高，WC的粒徑可控並均勻穩定。
這些方法都各有優缺點，但在實現工業化生產上都有一定難度。在圍繞碳化鎢顆粒細化的問題上，國內外從鎢源和碳源的選擇方面均做出了有益的探索，為奈米碳化鎢的工業化奠定了堅實的基礎。我國在奈米碳化鎢粉的研究和生產發麵雖已取得了一定的成績，但與世界先進水平還存在著比較大的差距，目前世界各國也都在大膽和積極採用新工藝，新技術力爭研究出更適合工業化生產的模式。
三、 本課題研究內容
本實驗以鎢酸鹽為原料，首先取適量鎢酸鹽加入適量低濃度鹽酸，沉澱出黃色氧化鎢（三氧化鎢），實驗中所用鎢酸鹽與沉澱出的氧化鎢的質量比為100：91.5，100g鎢酸鹽加入足夠鹽酸可得到91.5g的三氧化鎢，根據上面的比例和所加入的鎢酸鹽的質量，計算出三氧化鎢沉澱的量。這時，有兩種思路來製備奈米碳化鎢。一，在由上製得的三氧化鎢懸濁液中加入表面活性劑CTAB（三甲基十六烷基溴化銨），CTAB中的碳含量與鎢的比值要略大於1，在磁攪拌機上充分攪拌一小時左右至均勻，過濾後放入馬弗爐中燒結；二，利用片狀氧化石墨烯作引導劑，誘發三氧化鎢在氧化石墨烯上異質形核，後放入馬弗爐中燒結適宜時間。
按上面兩種思路我們考慮到一下一些實際問題；按思路一，表面活性劑CTAB在於氧化鎢相互接觸的過程中，如何控制其晶粒度的大小分佈，其中存在很多不確定內因及外因。表面活性劑在什麼情況下與氧化鎢接觸最好，以及燒結過程中多要控制的最適宜的時間和溫度。按思路二，氧化石墨烯做引導劑在什麼條件下實現，三氧化鎢在氧化石墨烯上異質形核的形核率以及形核的晶粒大小受哪些因素控制，怎樣才能夠控制形核的晶粒尺寸在奈米級別。
奈米材料的相關表徵方法：
採用UV-Vis-NIR、TG-DTA、XRD、XPS、IR、AFM、SEM等手段對粉體、溶膠和薄膜進行系統表徵。
四、 本課題研究方案
方案一:利用表面活性劑使其吸附在三氧化鎢顆粒的表面，分散三氧化鎢顆粒，高溫下，CTAB分解得到活性炭與三氧化鎢反應得到奈米碳化鎢粉末；
方案二，利用氧化石墨烯做引導劑，誘使三氧化鎢在片狀石墨烯之間異質形核，高溫下形成奈米碳化鎢粉。
為製得奈米級碳化鎢粉，本實驗從三氧化鎢與碳反應的基點出發，要製得奈米級碳化鎢，首先要形成奈米氧化鎢，方案一利用表面活性劑分散三氧化鎢顆粒，方案二利用三氧化鎢在氧化石墨烯上形成的細小異質核心。
五、 研究目標、主要特色及工作進度
本實驗目標在於探討出簡單易行且適合工業化大批量生產的奈米碳化鎢的製備方法，為我國鎢資源的利用提供更有力的幫助。實驗中兩種奈米碳化鎢粉末的製備方法無需繁瑣的手段，對實驗裝置要求不高，實驗思路清晰明瞭，實驗想法可行，創新性很大，國內外還無先例。
實驗進度表：
1. 2014年10月——2014年12月 在圖書館查閱相關文獻資料，獲取相關知識和背景，相互之間討論並思考設計總體實驗方案，確定實驗結果檢測表徵方法。
2. 2015年2月——2015年3月 進入實驗初級階段，製備鎢酸鹽和相關原材料。
3. 2015年4月——2015年5月 將鎢酸鹽與不同濃度的鹽酸混合，試驗並探討哪種濃度的鹽酸最適合，記錄各實驗結果。
4. 2015年5月——2015年6月 燒結過程，製備奈米粉末，並測試實驗結果。
六、 參考文獻
[1]馬淳安. 高活性碳化鎢催化材料的製備表徵及電化學效能研究[ D] .上海:上海大學, 2005.5.
[2]柳林,李兵,丁星兆,等.硬質合金的製備[J].科學通報,1994,13(3);32-36.
[3]李會謙,林濤,羅驥,等.奈米鎢粉的微波碳化[J].稀有金屬,2006,30（專輯）;54-56．