一種碳化硼/碳復合粉體的制備方法與流程

本發明涉及一種碳化硼/碳復合粉體的制備方法。

背景技術：
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碳化硼是一種重要的特種陶瓷材料，具有優良的機械與化學性能：密度低，理論密度僅2520kg/m³；硬度高，莫氏硬度為9.3，顯微硬度為55－67GPa，是硬度僅次于金剛石和立方氮化硼的材料；化學性質穩定，在常溫下不與酸、堿和大多數無機化合物反應，僅在氫氟酸-硫酸、氫氟酸-硝酸混合物中有緩慢的腐蝕，是化學性質最穩定的化合物之一。此外，碳化硼還有很強的中子吸收能力，可用作核電專用件的生產。因此，作為結構材料和化學原料，碳化硼在拋光與精研、制備耐磨、耐腐蝕器件、鋼表面滲硼、核反應堆堆芯組件等領域中有廣泛的應用前景。在生產碳化硼陶瓷時，除了要使用高純度碳化硼粉體外，還需要將適當比例的高純度碳粉與之混合，然后通過壓制得到最終的陶瓷材料。這就需要制備碳化硼粉體，并將其與碳粉混合，生產流程復雜。

在制備碳化硼粉體方面，目前主要的制備方法主要有碳熱還原法、自蔓延高溫合成法、元素直接合成法、化學氣相沉積法和機械合金化法等。這些方法存在的主要問題包括：1、反應時間較長,耗能高；2、合成的粉末粒徑大，需要大量的破碎工藝,增加了生產成本；3、粉碎及相關加工過程還可能引入含鐵雜質等,降低粉末的純度。聚合物前驅體法是利用聚合物與硼源反應，生成凝膠再進行高溫處理得到碳化硼的一種方法。該種方法制備的碳化硼純度高，顆粒尺寸小。但是，這種方法依然存在生產過程復雜、產品收率低等問題。因此，總體上來說現有的生產碳化硼陶瓷的流程存在工藝復雜、原料制備能耗高等問題。

技術實現要素：
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本發明正是針對上述問題，提供了一種使用固相合成的可用于碳化硼陶瓷生產，可簡化生產工藝，提高碳化硼產品的質量與收率的碳化硼/碳復合粉體的制備方法。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案，具體的制備方法為，

1、將高分子碳源和硼源按1～10：1的質量比混合；

2、第一次升溫處理

將混合好的原料以1～100℃/min的升溫速度升溫至25～250℃，在該溫度下恒溫加熱10min～50h；

3、第二次升溫處理

繼續以1～100℃/min的升溫速度升溫至250～600℃，在該溫度恒溫加熱10min～50h；

4、第三次升溫處理

接著以1～100℃/min的升溫速度升溫至600～1200℃，在該溫度恒溫加熱10min～50h；

5、第一次降溫處理

將物料以1～100℃/min的速度降溫至25℃并粉碎；

6、第四次升溫處理

粉碎處理后，以1～100℃/min的升溫速度升溫至1200～2500℃，在該溫度恒溫加熱10min～50h；

7、第二次降溫處理

將物料以1～100℃/min的降溫速度降溫至25℃得到碳化硼/碳復合粉體。

所述的高分子碳源為聚合度100～5000的聚乙烯醇。

所述的硼源為硼酸或三氧化二硼。

本發明的有益效果：

本發明簡化了生產陶瓷用碳化硼/碳復合粉體時，需要混合碳化硼和碳粉體，工藝流程長等問題。解決了傳統碳化硼制備過程能耗大，產品純度低，產品粉碎處理不易，產品收率低等問題，同時避免了聚合物前驅體法需要先制備前驅體，處理工藝復雜等問題，極大的降低了產品的制備難度，提高了產品的質量。

此外，本發明能夠制備納米級的碳化硼/碳復合粉體，這種粉體為制備高性能碳化硼陶瓷提供了高質量的原料。

附圖說明：

圖1為實施例1制得的碳化硼/碳復合粉體中碳化硼的SEM照片。

圖2為實施例1制得的碳化硼/碳復合粉體中碳的SEM照片。

具體實施方式：

實施例1

稱取500克聚合度為300的聚乙烯醇與100克硼酸進行混合，將混合好的原料，按照10℃/分鐘的升溫速度升溫至180℃，在該溫度恒溫加熱1小時；接著繼續按照10℃/分鐘的升溫速度升溫至550℃，在該溫度恒溫加熱3小時；然后繼續按照5℃/分鐘的升溫速度升溫至700℃，在該溫度恒溫加熱4小時；在第三次升溫處理以后，將物料按照50℃/分鐘的速度降溫至25℃粉碎；粉碎處理以后，繼續按照5℃/分鐘的升溫速度升溫至1600℃，在該溫度恒溫加熱10小時；最后繼續按照8℃/分鐘的降溫速度降溫至25℃，得到碳化硼/碳復合粉體。

由圖1-2可知，碳化硼復合粉體中的碳化硼顆粒為500nm左右，碳化硼復合粉體中的碳顆粒為100nm左右。

實施例2

稱取800克聚合度為500的聚乙烯醇與100克硼酸進行混合，將混合好的原料，按照30℃/分鐘的升溫速度升溫至200℃，在該溫度恒溫加熱30分鐘；接著繼續按照10℃/分鐘的升溫速度升溫至250℃，在該溫度恒溫加熱1小時；然后繼續按照10℃/分鐘的升溫速度升溫至1100℃，在該溫度恒溫加熱10分鐘；在第三次升溫處理以后，將物料按照20℃/分鐘的速度降溫至25℃粉碎；粉碎處理以后，繼續按照20℃/分鐘的升溫速度升溫至1500℃，在該溫度恒溫加熱3小時；最后按照50℃/分鐘的降溫速度降溫至25℃，得到碳化硼/碳復合粉體。

實施例3

稱取500克聚合度為5000的聚乙烯醇與500克硼酸進行混合，將混合好的原料，按照1℃/分鐘的升溫速度升溫至80℃，在該溫度恒溫加熱50小時；接著繼續按照2℃/分鐘的升溫速度升溫至400℃，在該溫度恒溫加熱1小時；然后繼續按照20℃/分鐘的升溫速度升溫至900℃，在該溫度恒溫加熱40分鐘；在第三次升溫處理以后，將物料按照50℃/分鐘的速度降溫至25℃粉碎；粉碎處理以后，繼續按照5℃/分鐘的升溫速度升溫至1600℃，在該溫度恒溫加熱1小時；最后按照5℃/分鐘的降溫速度降溫至25℃，得到碳化硼/碳復合粉體。

實施例4

稱取700克聚合度為100的聚乙烯醇與100克三氧化二硼進行混合；將混合好的原料按照3℃/分鐘的升溫速度升溫至150℃，在該溫度恒溫加熱30小時；接著繼續按照7℃/分鐘的升溫速度升溫至450℃，在該溫度恒溫加熱8小時；然后繼續按照10℃/分鐘的升溫速度升溫至850℃，在該溫度恒溫加熱50分鐘；在第三次升溫處理以后，將物料按照40℃/分鐘的速度降溫至25℃粉碎；粉碎處理以后，繼續按照5℃/分鐘的升溫速度升溫至1400℃，在該溫度恒溫加熱2小時；最后按照5℃/分鐘的降溫速度降溫至25℃，得到碳化硼/碳復合粉體。

實施例5

稱取1000克聚合度為1000的聚乙烯醇與100克三氧化二硼進行混合；將混合好的原料按照10℃/分鐘的升溫速度升溫至190℃，在該溫度恒溫加熱7小時；接著繼續按照25℃/分鐘的升溫速度升溫至500℃，在該溫度恒溫加熱1小時；然后繼續按照10℃/分鐘的升溫速度升溫至850℃，在該溫度恒溫加熱10小時；在第三次升溫處理以后，將物料按照10℃/分鐘的速度降溫至25℃粉碎；粉碎處理以后，繼續按照15℃/分鐘的升溫速度升溫至1500℃，在該溫度恒溫加熱30小時；最后按照40℃/分鐘的降溫速度降溫至25℃得到碳化硼/碳復合粉體。

實施例6

稱取500克聚合度為300的聚乙烯醇與100克硼酸進行混合；將混合好的原料，按照8℃/分鐘的升溫速度升溫至180℃，在該溫度恒溫加熱20小時；接著繼續按照20℃/分鐘的升溫速度升溫至500℃，在該溫度恒溫加熱15小時；然后繼續按照10℃/分鐘的升溫速度升溫至750℃，在該溫度恒溫加熱20小時；在第三次升溫處理以后，將物料按照5℃/分鐘的速度降溫至25℃粉碎；粉碎處理以后，繼續按照25℃/分鐘的升溫速度升溫至1800℃，在該溫度恒溫加熱5小時；最后按照15℃/分鐘的降溫速度降溫至25℃得到碳化硼/碳復合粉體。