一種硼化鋯-碳化硅復合粉體及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種硼化鋯-碳化硅復合粉體及其制備方法。其技術方案是：將1~9wt%的鋯英石粉、1~9wt%的金屬鎂粉、2~10wt%的四硼酸鈉粉、0.1~0.9wt%的碳粉和75~91wt%的鹵化物粉混合，再將混合粉置入管式電爐，在氬氣氣氛下以2~8℃/min的速率升溫至1100~1300℃，保溫2~6小時；然后將所得產物放入濃度為2.0~4.0mol/L的鹽酸中浸泡3~8小時，過濾，用去離子水清洗過濾后產物至清洗液中用硝酸銀檢測無沉淀產生，干燥，得硼化鋯-碳化硅復合粉體。本發明具有反應溫度低、成本低、工藝簡單、過程易于控制、產率高和產業化生產前景大的特點；制備的硼化鋯-碳化硅復合粉體結晶好、粒度小且分布均勻、無雜相、純度高、活性高和顆粒團聚小。
【專利說明】—種硼化錯-碳化娃復合粉體及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于無機非金屬材料粉體【技術領域】。具體涉及一種硼化鋯-碳化硅復合粉體及其制備方法。
【背景技術】
[0002]ZrB2的熔點高(3040°C)、熱膨脹系數低、導熱及導電性能優異，同時ZrB2與金屬熔體不潤濕，與Fe液、Cu液和Al液的潤濕角分別為105°、132°和103°，具有優良的抗熔融金屬及渣液侵蝕的性能，是一種非常有發展前途的高溫結構材料。但ZrB2的燒結難、高溫抗氧化性能差和韌性差的不足大大限制了 ZrB2的應用。引入SiC到ZrB2中形成ZrB2-SiC復合材料，不但可以有效地提高ZrB2的抗氧化性能，還能提高ZrB2的強度和韌性等力學性倉泛。
[0003]ZrB2-SiC復合粉體的制備方法主要有碳熱還原法、放電等離子燒結法和自蔓延高溫合成法等。但這些方法都存在一定的不足。
[0004]碳熱還原法是以ZrO2、硼酸和硅溶膠為原料、以炭黑為還原劑、在電爐中加熱至13000C以上合成ZrB2-SiC復合粉體的方法。該法雖生成成本低、產量大和原料價廉易得，但工藝過程復雜、產品粒度較粗和產物純度較低。放電等離子燒結法(SPS)是近些年來倍受重視的一種材料制備新技術，與傳統研究的技術相比，放電等離子燒結法雖在更低溫度和更短的時間制備出ZrB2-SiC復合材料，但生產成本高。自蔓延高溫合成法的工藝雖過程簡單、反應速度快和能耗低，但由于其反應速度太快，通常反應無法完全進行，導致雜質相較多，而且其反應過程、產物結構以及性能都不容易控制，無法得到高純度的ZrB2-SiC粉末。
[0005]目前，硼化鋯-碳化鋯復合粉體的制備技術都存在一定的不足:成本高，合成粉體的純度較低，工藝過程復雜，不易控制，粉體顆粒粒徑分布不均勻，粉體顆粒容易團聚等，極大地限制了硼化鋯-碳化鋯復合粉體的產業化生產。
【發明內容】
[0006]本發明旨在克服現有技術存在的不足，目的是提供一種反應溫度低、成本低、合成工藝簡單、過程易于控制、產率高和產業化生產前景大的硼化鋯-碳化硅復合粉體的制備方法。用該方法制備的硼化鋯-碳化硅復合粉體結晶好、活性高、粉體粒徑小且分布均勻、顆粒團聚小和純度高。
[0007]為實現上述目的，本發明的技術方案是:先將I~9wt%的鋯英石粉、I~9wt%的金屬鎂粉、2~10wt%的四硼酸鈉粉、0.1~0.9wt%的碳粉和75~91wt%的鹵化物粉混合均勻，制得混合粉；再將混合粉置入管式電爐內，在氬氣氣氛下以2~8°C /min的升溫速率升至1100~1300°C，保溫2~6小時；然后將所得產物放入濃度為2.0~4.0moI/L的鹽酸中浸泡3~8小時，過濾，用去離子水清洗過濾后的產物，清洗至清洗液中用硝酸銀檢測無沉淀產生，在110°C條件下干燥10~24小時，即得硼化鋯-碳化硅復合粉體。
[0008]所述錯英石粉中的ZrSiO4含量≤98wt%,粒徑< 100 μ m。[0009]所述四硼酸鈉微粉中的Na2B4O7含量≥98wt%，粒徑≤200 μ m。
[0010]所述金屬鎂粉中的Mg含量≥99wt%，粒徑≤150 μ m。
[0011 ] 所述碳粉中的C含量≥98wt%，粒徑≤200 μ m。
[0012]所述鹵化物粉為氯化鎂粉、或氯化鎂粉與氟化鈉粉的混合物；氯化鎂和氟化鈉均為工業純或分析純，粒徑均< 200 μ m。
[0013]由于采用上述技術方案，本發明與現有技術相比具有如下積極效果:
[0014]1、本發明在熔融鹽中實現反應物原子尺度的混合，使反應成分在液相中的流動性增強，擴散速率顯著提高，能有效控制反應進程、降低反應溫度和縮短反應時間，提高反應物的使用效率，使產率提高；
[0015]2、本發明通過熔鹽法能更容易地控制晶體顆粒的形狀和尺寸，粉體粒度為3~10 μ m，粉體粒徑小且分布均勻；合成產物各組分配比準確，結晶好，成分均勻，無偏析；
[0016]3、本發明在反應過程及其隨后的清洗過程中，不需要使用特殊的設備及工藝，整個工藝過程簡單；采用酸洗結合水洗的方法，有利于雜質的清除，形成高純的反應物，無雜相；
[0017]4、本發明的原料來源廣泛和價格低廉，生產成本低，具有很大的產業化生產前景。[0018]5、本發明制備的產物顆粒均勻分散于熔融鹽中，避免了相互連接，使得顆粒活性高，分散性很好，極大地降低了溶解洗滌后團聚現象的發生。
[0019]因此，本發明具有反應溫度低、成本低、合成工藝簡單、過程易于控制和產率高的特點；所制備的硼化鋯-碳化硅復合粉體結晶好、無雜相、活性高、顆粒團聚小、粉體粒度為3~10 μ m且分布均勻、純度高和產業化生產的前景大。
【具體實施方式】
[0020]下面以【具體實施方式】對本發明做進一步的描述，并非對其保護范圍的限制。
[0021]為避免重復，先將本【具體實施方式】的原料統一描述如下，實施例中不再贅述:
[0022]所述錯英石粉中的ZrSiO4含量≥98wt%,粒徑< 100 μ m。
[0023]所述四硼酸鈉微粉中的Na2B4O7含量≥98wt%,粒徑≤200 μ m。
[0024]所述金屬鎂粉中的Mg含量≥99wt%,粒徑< 150 μ m。
[0025]所述碳粉中的C含量≥98wt%,粒徑≤200 μ m。
[0026]所述氯化鎂和氟化鈉均為工業純或分析純,粒徑均< 200 μ m。
[0027]實施例1
[0028]一種硼化鋯-碳化硅復合粉體及其制備方法。將6~9wt%的鋯英石粉、6~9wt%的金屬鎂粉、5~8wt%的四硼酸鈉粉、0.6~0.9wt%的碳粉和75~81wt%的氯化鎂粉混合均勻，制得混合粉；再將混合粉置入管式電爐內，在氬氣氣氛下以2~4°C /min的升溫速率升至1100~1200°C，保溫2~4小時；然后將所得產物放入濃度為2.0~2.5mol/L的鹽酸中浸泡3~5小時，過濾，用去離子水清洗過濾后的產物，清洗至清洗液中用硝酸銀檢測無沉淀產生，在110°C條件下干燥10~24小時，即得硼化鋯-碳化硅復合粉體。
[0029]本實施例所制備的硼化鋯-碳化硅復合粉體純度高，顆粒無團聚，粒度為3~5 μ m0[0030] 實施例2
[0031 ] 一種硼化鋯-碳化硅復合粉體及其制備方法。將6-9wt%的鋯英石粉、6-9wt%的金屬鎂粉、5-8wt%的四硼酸鈉粉、0.6-0.9wt%的碳粉和75-81wt%的鹵化物粉混合均勻，制得混合粉；再將混合粉置入管式電爐內，在氬氣氣氛下以2-4°C /min的升溫速率升至1100-1250°C，保溫3-5小時；然后將所得產物放入濃度為3.0-3.5mol/L的鹽酸中浸泡4-6小時，過濾，用去離子水清洗過濾后的產物，清洗至清洗液中用硝酸銀檢測無沉淀產生，在110°C條件下干燥10-24小時，即得硼化鋯-碳化硅復合粉體。
[0032]本實施例中鹵化物為50-70wt%氯化鎂和30-50wt%氟化鈉的混合物；本實施例所制備的硼化鋯-碳化硅復合粉體純度高，顆粒無團聚，粒度為4-6 μ m。
[0033]實施例3
[0034]一種硼化鋯-碳化硅復合粉體及其制備方法。將I-4wt%的鋯英石粉、4-6wt%的金屬鎂粉、7-10wt%的四硼酸鈉粉、0.4-0.6wt%的碳粉和80-86wt%的氯化鎂粉混合均勻，制得混合粉；再將混合粉置入管式電爐內，在氬氣氣氛下以3-5°C /min的升溫速率升至1100-1200°C，保溫3-5小時；然后將所得產物放入濃度為3.5-4.0moI/L的鹽酸中浸泡5-7小時，過濾，用去離子水清洗過濾后的產物，清洗至清洗液中用硝酸銀檢測無沉淀產生，在110°C條件下干燥`10-24小時，即得硼化鋯-碳化硅復合粉體。
[0035]本實施例所制備的硼化鋯-碳化硅復合粉體純度高，顆粒無團聚，粒度為5-7 μ m0
[0036]實施例4
[0037]一種硼化鋯-碳化硅復合粉體及其制備方法。將I-4wt%的鋯英石粉、4-6wt%的金屬鎂粉、7-10wt%的四硼酸鈉粉、0.4-0.6wt%的碳粉和80-86wt%的鹵化物粉混合均勻，制得混合粉；再將混合粉置入管式電爐內，在氬氣氣氛下以3-5°C /min的升溫速率升至1150-1300°C，保溫5-6小時；然后將將所得產物放入濃度為2.0-2.5mol/L的鹽酸中浸泡3-5小時，過濾，用去離子水清洗過濾后的產物，清洗至清洗液中用硝酸銀檢測無沉淀產生，在110°C條件下干燥10-24小時，即得硼化鋯-碳化硅復合粉體。
[0038]本實施例中鹵化物為60-85wt%氯化鎂和15-40wt%氟化鈉的混合物；本實施例所制備的硼化鋯-碳化硅復合粉體純度高，顆粒無團聚，粒度為6-8 μ m。
[0039]實施例5
[0040]一種硼化鋯-碳化硅復合粉體及其制備方法。將4-6wt%的鋯英石粉、I-4wt%的金屬鎂粉、2-6wt%的四硼酸鈉粉、0.1-0.4wt%的碳粉和85-91wt%的氯化鎂粉混合均勻，制得混合粉；再將混合粉置入管式電爐內，在氬氣氣氛下以5-8°C /min的升溫速率升至1150-1250°C，保溫5-6小時；然后將所得產物放入濃度為2.0-2.5mol/L的鹽酸中浸泡6-8小時，過濾，用去離子水清洗過濾后的產物，清洗至清洗液中用硝酸銀檢測無沉淀產生，在110°C條件下干燥10-24小時，即得硼化鋯-碳化硅復合粉體。
[0041]本實施例所制備的硼化鋯-碳化硅復合粉體純度高，顆粒無團聚，粒度為7-
9μ m0
[0042]實施例6
[0043]一種硼化鋯-碳化硅復合粉體及其制備方法。將4-6wt%的鋯英石粉、I-4wt%的金屬鎂粉、2-6wt%的四硼酸鈉粉、0.1-0.4wt%的碳粉和85-91wt%的鹵化物粉混合均勻，制得混合粉；再將混合粉置入管式電爐內，在氬氣氣氛下以2-4°C /min的升溫速率升至1100-1200°C，保溫2-4小時；然后將所得產物放入濃度為2.5-3.0moI/L的鹽酸中浸泡4-6小時，過濾，用去離子水清洗過濾后的產物，清洗至清洗液中用硝酸銀檢測無沉淀產生，在110°C條件下干燥10-24小時，即得硼化鋯-碳化硅復合粉體。[0044]本實施例中鹵化物為50-60wt%氯化鎂和40-50wt%氟化鈉的混合物；本實施例所制備的硼化鋯-碳化硅復合粉體純度高，顆粒無團聚，粒度為8-10 μ m。
[0045]本【具體實施方式】與現有技術相比具有如下積極效果和突出特點:
[0046]1、本【具體實施方式】在熔融鹽中實現反應物原子尺度的混合，使反應成分在液相中的流動性增強，擴散速率顯著提高，能有效控制反應進程、降低反應溫度和縮短反應時間，提聞反應物的使用效率，使廣率提聞;
[0047]2、本【具體實施方式】通過熔鹽法能更容易地控制晶體顆粒的形狀和尺寸，粉體粒度為3-10 μ m，粉體粒徑小且分布均勻；合成產物各組分配比準確，結晶好，成分均勻，無偏析；
[0048]3、本【具體實施方式】在反應過程及其隨后的清洗過程中，不需要使用特殊的設備及工藝，整個工藝過程簡單；采用酸洗結合水洗的方法，有利于雜質的清除，形成高純的反應物，無雜相；
[0049]4、本【具體實施方式】的原料來源廣泛和價格低廉，生產成本低，具有很大的產業化生產前景；
[0050]5、本【具體實施方式】制備的產物顆粒均勻分散于熔融鹽中，避免了相互連接，使得顆粒活性高，分散性很好，極大地降低了溶解洗滌后團聚現象的發生。
[0051]因此，本【具體實施方式】具有反應溫度低、成本低、合成工藝簡單、過程易于控制和產率高的特點；所制備的硼化鋯-碳化硅復合粉體結晶好、無雜相、活性高、顆粒團聚小、粉體粒度為3-10 μ m且分布均勻、純度高和產業化生產的前景大。
【權利要求】
1.一種硼化鋯-碳化硅復合粉體的制備方法，其特征在于先將I-9wt%的鋯英石粉、I-9wt%的金屬鎂粉、2-10wt%的四硼酸鈉粉、0.1-0.9wt%的碳粉和75-91wt%的鹵化物粉混合均勻，制得混合粉；再將混合粉置入管式電爐內，在氬氣氣氛下以2-8°C /min的升溫速率升至1100-1300°C，保溫2-6小時；然后將所得產物放入濃度為2.0-4.0moI/L的鹽酸中浸泡3-8小時，過濾，用去離子水清洗過濾后的產物，清洗至清洗液中用硝酸銀檢測無沉淀產生，在110°C條件下干燥10-24小時，即得硼化鋯-碳化硅復合粉體。
2.根據權利要求1所述硼化鋯-碳化硅復合粉體的制備方法，其特征在于所述鋯英石粉中的ZrSiO4含量≤98wt%，粒徑≤100 μ m。
3.根據權利要求1所述硼化鋯-碳化硅復合粉體的制備方法，其特征在于所述四硼酸鈉微粉中的Na2B4O7含量≤98wt%，粒徑≤200 μ m。
4.根據權利要求1所述硼化鋯-碳化硅復合粉體的制備方法，其特征在于所述金屬鎂粉中的Mg含量≤ 99wt%,粒徑≤150 μ m。
5.根據權利要求1所述硼化鋯-碳化硅復合粉體的制備方法，其特征在于所述碳粉中的C含量≤98wt%,粒徑≤200 μ m。
6.根據權利要求1所述硼化鋯-碳化硅復合粉體的制備方法，其特征在于所述鹵化物粉為氯化鎂粉、或氯化鎂粉與氟化鈉粉的混合物；氯化鎂和氟化鈉均為工業純或分析純，粒徑均 < 200 μ m。
7.一種硼化鋯-碳化硅復合粉體，其特征在于所述硼化鋯-碳化硅復合粉體是根據權利要求I-6項中任一項所述硼化鋯-碳化硅復合粉體的制備方法所制備的硼化鋯-碳化硅復合粉體。
【文檔編號】C01B31/36GK103449463SQ201310415283
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】張海軍, 張少偉, 李發亮, 孔德成, 魯禮林 申請人:武漢科技大學