CN101746756B

CN101746756B - 一种富10b碳化硼粉体及其制备方法

Info

Publication number: CN101746756B
Application number: CN2009102314962A
Authority: CN
Inventors: 龚红宇; 张玉军; 赵林; 朱宝鑫; 赵东亮; 李爱菊
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2029-12-15
Also published as: CN101746756A

Abstract

本发明涉及一种富¹⁰B碳化硼粉体及其制备方法。将¹⁰B丰度40～96％的的硼酸粉体75～85份与碳粉15～25份球磨混合，在600～800℃煅烧；将煅烧后的粉体磨细，放在石墨模具中在氩气或真空中、1700～1850℃进行碳化，得富¹⁰B碳化硼粉体，其中B₄C的含量大于97％，B₂O₃含量小于1％，残量碳含量小于2％；碳化硼粉体的中位粒径d₅₀≤3.5μm，¹⁰B丰度为40～96％。本发明的富¹⁰B碳化硼粉体具有纯度高、B₄C结晶度高、粉体粒度小以及制备过程中¹⁰B丰度不变的特点，是用于航空飞行器防护和防弹衣的理想陶瓷材料。

Description

一种富<sup>10</sup>B碳化硼粉体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种富¹⁰B碳化硼粉体，属于防护材料技术领域。

背景技术

碳化硼具有较高的中子吸收能力，其中子俘获截面高，俘获能谱宽，是用于核反应堆的重要材料。利用碳化硼的中子吸收功能可制成芯棒或芯块对核反应堆的反应速度进行控制；制成复合材料或板、片对反应堆外部进行屏蔽，吸收放射性物质。碳化硼材料的中子吸收性能主要依靠碳化硼中¹⁰B的含量。硼有两种同位素，分别为¹¹B和¹⁰B。在自然界存在的天然硼化合物中¹⁰B的丰度为18％～19.5％，其余为¹¹B。目前利用化学分离法，可得到¹⁰B丰度在40％以上的硼酸。丰度是本领域的规范用语，其定义是以原子百分数表示的地壳中某种元素各同位素的相对含量。

碳化硼有多种化合物形式，其中B₄C化合物具有稳定的结构和高的硼含量。高B₄C相含量的极细碳化硼粉是制备碳化硼制件的前提，但是工业上制备化学计量的B₄C粉还有一定的难度。电孤炉硼酐碳热还原法是工业上制备碳化硼粉的常用方法，但由于炉区温差大，成分难以保证；气相沉积法的反应区条件可以被精确控制，可制得纯度高的纳米B₄C粉末，但原料昂贵，生产率较低。自蔓延镁热法具有反应温度低、反应迅速等优点，但存在MgO难以彻底洗净的问题。目前，大规模制取优质碳化硼粉的主要方法还是碳管炉碳热还原法。然而，用这种方法制得的碳化硼粉，粒度较大，需要进行后期的破碎处理工序，大大增加了生产成本。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种富¹⁰B碳化硼粉体及其制备方法，该富¹⁰B碳化硼粉体中¹⁰B的丰度为40-96％。

术语解释：

¹⁰B丰度：本发明中¹⁰B的丰度是指终产品碳化硼粉体¹⁰B的相对含量，％的单位是原子数百分比，直接用“％”表示。

中位粒径：是指粉体材料的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径，用d₅₀表示。

本发明富¹⁰B碳化硼粉体，由以下质量份的原料组分制得：

¹⁰B丰度40～96％的硼酸粉体75～85份，碳粉15～25份；

所述碳化硼粉体中，以碳化硼粉体质量为基数，B₄C的含量97～98.6％，B₂O₃含量小于0.01～1％，残量碳含量1～2％；碳化硼粉体的中位粒径d₅₀≤3.5μm，¹⁰B丰度为40～96％。

制备碳化硼粉体所用的原料为：¹⁰B丰度40～96％的硼酸(简称富¹⁰B硼酸)，纯度大于98％，中位粒径d₅₀＜300μm；碳粉纯度大于99％，中位粒径d₅₀为1-2μm。

本发明的富¹⁰B的碳化硼粉体的制备方法，步骤如下：

1、按质量份，将¹⁰B丰度40～96％的的硼酸粉体75～85份、碳粉15～25份以无水乙醇为介质，球磨混合，真空条件下烘干，得混合粉末。

2、将上述混合粉末放入氧化铝坩埚中，在600～800℃温度下煅烧，煅烧时间为60～80分钟。

3、将煅烧后的混合粉末磨碎，加入到石墨模具中，放到石墨炉中，在氩气或真空中进行高温碳化，碳化温度为1700～1850℃，碳化保温时间20～30分钟，自然冷却，既得。

优选的，上述步骤3煅烧后的混合粉末磨碎至粉体粒度为20-40μm。

本发明的富¹⁰B的碳化硼粉体是用于核反应堆的防护和核放射防护衣的理想陶瓷材料。

与现有方法相比，本发明的技术特点及优良效果如下：

1.本发明碳化硼粉体的结晶度好，纯度高，粉体中位粒径d₅₀≤3.5μm，在制备过程中原料¹⁰B的丰度未降低。本发明的富¹⁰B的碳化硼粉体是用于中子防护和屏蔽，控制核反应堆速度的理想陶瓷材料。

2、本发明采用先低温煅烧(600～800℃)保证硼酸的充分分解以及原料间的充分混合，再进行保护气氛下的高温碳化(1700～1850℃)，促进了反应物之间的充分反应，保证了所制备的碳化硼粉体的高纯度、高B₄C结晶度的特点，其纯度＞97％，B₄C的结晶度＞98％。

3、本发明利用富¹⁰B硼酸与d₅₀＜2μm的超细碳粉，通过低温煅烧、保护气氛下的高温碳化还原反应，使所制备的碳化硼粉体具有较细的粒度，其d₅₀≤3.5μm。与现有技术相比，所得到的碳化硼粉体粒度小，无需进一步粉碎，适用于制备碳化硼陶瓷及相关复合材料。

4、本发明在制备富¹⁰B碳化硼粉体时采用的相应硼10丰度的富¹⁰B硼酸与碳粉，在烧结过程中未添加其他含硼助剂，保证了反应物碳化硼中的¹⁰B丰度不降低。

5、本发明具有所用原料种类少、制备工艺简单、易于实现工业化生产的特点。

附图说明

图1是实施例1的产品X射线衍射图(XRD)，由图可见制备所得的到的粉体为B₄C相，无其他杂质成分，并具有较好的结晶度。

图2是实施例2的产品X射线衍射图(XRD)，由图可见制备所得的到的粉体为B₄C相，无其他杂质成分，并具有较好的结晶度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。实施例中所用原料均为市购产品，富¹⁰B硼酸为大连博恩坦科技有限公司产品。

实施例中所得产品的性能测定方法如下：

①通过常规的X射线衍射图(XRD)测试所得碳化硼粉体的晶相，并计算其纯度、粒度。

②¹⁰B丰度：采用电感耦合等离子体质谱法测定¹⁰B的丰度。

实施例1：

制备富¹⁰B碳化硼陶瓷粉体的原料组分如下：¹⁰B丰度为40％的富¹⁰B硼酸粉体79份，碳粉21份，均为质量份。所述硼酸粉体的纯度＞98％，d₅₀＜300μm。所述碳粉的纯度＞99％，d₅₀1-2μm。均为市售产品。

制备方法步骤如下：

1、按上述质量份，将硼酸粉体、碳粉以无水乙醇为介质，球磨混合，真空条件下烘干，制备混合粉末。

2、将上述混合粉末放入氧化铝坩埚中进行煅烧，煅烧温度为700℃，煅烧时间为60min。

3、将上述煅烧后的粉体球磨至粉体粒度为25-35μm，将粉体装进石墨模具中，放到高温炉中进行高温碳化，温度为1700℃，以氩气为保护性气体，保温时间为25分钟，自然冷却，得到碳化硼细粉。

所得产品性能如下：主晶相为B₄C相，纯度为97％，¹⁰B丰度为40％，d₅₀＝3μm。如图1所示。

实施例2：

¹⁰B丰度为68％的富硼10硼酸粉体82份，碳粉18份，均为质量份。所述硼酸粉体的纯度＞98％，d₅₀＜300μm。所述碳粉的纯度＞99％，d₅₀1-2μm。

制备方法步骤如下：

2、将上述混合粉末放入氧化铝坩埚中进行煅烧，煅烧温度为750℃，煅烧时间为70min。

3、将上述煅烧后的粉体球磨至粉体粒度为28-38μm左右，将粉体装进石墨模具中，放到高温炉中进行高温碳化，温度为1750℃，以氩气为保护性气体，保温时间为30分钟，自然冷却，得到碳化硼细粉。

所得产品性能如下：主晶相为B₄C相，纯度为98％，¹⁰B丰度68％，d₅₀＝2.5μm。如图2所示。

实施例3：

¹⁰B丰度为90％的富硼10硼酸粉体85份，碳粉15份，均为质量份。所述硼酸粉体的纯度＞98％，d₅₀＜300μm。所述碳粉的纯度＞99％，d₅₀1-2μm。

制备方法步骤如下：

2、将上述混合粉末放入氧化铝坩埚中进行煅烧，煅烧温度为800℃，煅烧时间为80min。

3、将上述煅烧后的粉体球磨至粉体粒度为30μm，将粉体装进石墨模具中，放到高温炉中在真空气氛下进行高温碳化，温度为1800℃，保温时间为30分钟，自然冷却，得到碳化硼细粉。

所得产品性能如下：主晶相为B₄C相，纯度为98％，¹⁰B丰度90％，d₅₀＝2.5μm。

Claims

1.一种富¹⁰B的碳化硼粉体的制备方法，所用的原料为：¹⁰B丰度40～96％的硼酸，纯度大于98％，中位粒径d₅₀＜300μm；碳粉纯度大于99％，中位粒径d₅₀为1-2μm；

步骤如下：

(1)按质量份，将¹⁰B丰度40～96％的硼酸粉体75～85份、碳粉15～25份以无水乙醇为介质，球磨混合，真空条件下烘干，得混合粉末；

(2)将上述混合粉末放入氧化铝坩埚中，在600～800℃下煅烧，煅烧时间为60～80分钟；

(3)将煅烧后的混合粉末磨碎至粉体粒度为20-40μm，加入到石墨模具中，放到石墨炉中，在氩气或真空中进行高温碳化，碳化温度为1700～1850℃，碳化保温时间20～30分钟，自然冷却，既得；

所制备的碳化硼粉体中，以碳化硼粉体质量为基数，B₄C的含量97～98.6％，B₂O₃含量小于0.01～1％，残量碳含量1～2％；碳化硼粉体的中位粒径d₅₀≤3.5μm，¹⁰B丰度为40～96％。