CN101804980B - 碳化硼微粉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硼微粉的制备方法，包括以下步骤：1)、室温下，将三氧化二硼和竹炭微粉按照三氧化二硼∶碳＝2∶7的摩尔比进行配比，然后进行机械球磨和粉碎，得均质性复合前驱体；2)、将均质性复合前驱体在真空烧结炉中于2000～2200℃加热1～4小时，冷却后取出，得碳化硼微粉。本发明还同时提供了利用上述方法制备而得的碳化硼微粉。采用本发明方法制备而得的碳化硼微粉，具有纯度高、粒度分布可控的特点。

Description

碳化硼微粉及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳化硼粉体及其制备方法，特别是一种碳化硼微粉及其制备方法。

背景技术

碳化硼是一种有着许多优良性能的重要特种陶瓷。由于其具有其它材料不可比拟的优异性能，人们对碳化硼陶瓷的研究深度与力度不断加大。碳化硼的硬度在自然界中仅次于金刚石和立方氮化硼，尤其是近于恒定的高温硬度(＞30GPa)是其他材料无可比拟的，故成为超硬材料家族中的重要成员。在碳化硼中，硼与碳主要以共价键相结合(＞90％)，具有高熔点(2450℃)、高硬度、高模量、密度小(2.52g/cm³)、耐磨性好、耐酸碱性强等特点，并具有良好的中子、氧气吸收能力、较低的膨胀系数(5.0×10^-6·K^-1)：优良的热电性能(140S/m，室温)，故广泛应用于耐火材料、工程陶瓷、核工业、航天航空等领域。但由于碳化硼自身的局限性，很难通过工艺优化来大幅度改善其力学性能。但随着超微粉末制备技术的发展和有效烧结助剂的开发，使碳化硼的常规烧结成为可能，碳化硼材料在民用、宇航和军事领域都得到了重要应用。

根据合成碳化硼粉末所采用的反应原理、原料及设备的不同，碳化硼粉末的工业制取方法主要有碳管炉、电弧炉碳热还原法和高温自蔓延合成法(SHS)。碳管炉、电弧炉碳热还原法设备结构简单、占地面积小、建成速度快、工艺操作成熟、稳定，但也有较大的缺陷，如能耗大、生产能力较低、高温下对炉体的损坏严重，尤其是合成的原始粉末平均粒径大(20～40um)。自蔓延高温合成法(SHS)是利用化合物合成时的反应热，使反应进行下去的一种工艺方法；由于此法制备碳化硼时多以镁作为助熔剂，故又称镁热法。与其他方法相比具有反应温度较低(1273～1473K)、节约能源、反应迅速及容易控制等优点，合成的碳化硼粉的纯度较高且原始粉末粒度较细(0.1～4μm)，是目前合成碳化硼粉的较佳方法。缺点是反应物中残留的MgO必须通过附加的工艺洗去，且极难彻底除去。所以高纯度、粒径可控是碳热合成碳化硼粉末发展的主要方向，其关键是选择合适的硼源、碳源以及工艺条件。目前，硼源多采用硼单质或其化合物；碳源的选择局限于石墨、碳粉和一些含碳高分子，如蔗糖、淀粉、酚醛树脂、葡萄糖、甘油等；由于石墨和碳粉的反应不充分影响了碳化硼粉体的收得率，因此开发新的碳源是碳热反应生产碳化硼的重要方向。

竹炭是竹材在高温、少氧条件下烧制的一种具有丰富孔道结构的天然炭材料。普通竹炭的比表面积为200～300m²/g，经过二次炭化及活化处理，竹炭的比表面积高达700m²/g，对该竹炭进行超微化得到亚微米、纳米竹炭粉术，其表面积将更高。目前，尚没有以竹炭粉末作为碳源来制备碳化硼的工艺。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种纯度高、粒度分布可控的碳化硼微粉及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种碳化硼微粉的制备方法，包括以下步骤：

1)、室温下，将三氧化二硼和竹炭微粉按照三氧化二硼∶碳＝2∶7的摩尔比进行配比，然后进行机械球磨和粉碎，得均质性复合前驱体；

2)、将均质性复合前驱体在真空烧结炉中于2000～2200℃加热1～4小时，冷却后取出，得碳化硼微粉。

作为本发明的碳化硼微粉的制备方法的改进：竹炭微粉的平均粒径为0.1～0.5μm。

本发明还同时提供了利用上述方法制备而得的碳化硼微粉。

本发明充分利用了高比表面积能使竹炭具有高反应活性的特点，选用亚微米级的竹炭微粉为碳源，硼酐(三氧化二硼)为硼源，采用碳热还原法来制备碳化硼微粉。在步骤1)中，对竹炭微粉、硼酐进行机械球磨，然后再进行气流粉碎，实现原料的充分混合和高活性化；所得的混合粉料即为均质性复合前驱体。步骤2)中，将均质性复合前驱体装入石墨坩埚置于真空烧结炉中进行烧结。

本发明所得的碳化硼微粉经测定，平均粒径0.1～2μm；纯度达99％以上；使用时无需后续处理(由于制备过程中没有使用催化剂)。因此本发明的制备方法，不但能简化制备过程，适于规模化生产；还具有反应温度较低、节约能源、反应迅速等优点。

具体实施方式

实施例1、一种碳化硼微粉的制备方法，其特征是包括以下步骤：

1)、室温下，将三氧化二硼和平均粒径为0.1μm竹炭微粉按照三氧化二硼∶碳＝2∶7的摩尔配比进行配料；然后先机械球磨(原料∶球磨介质的重量比为1∶2)2小时，再经对撞式气流粉碎球磨(研磨压力0.7MPa、分级轮频率40赫兹)一次，通过上述撞击、剪切、摩擦等方式，实现原料的充分混合和高活性化，制得均质性复合前驱体；

2)、将均质性复合前驱体装入石墨坩埚置于真空烧结炉中，在2000℃下加热4小时，冷却后，取出，即得碳化硼微粉。经测定，粉体粒径为0.1～2um，纯度达99％以上。

实施例2、一种碳化硼微粉的制备方法，其特征是包括以下步骤：

1)、将竹炭微粉的平均粒径改成0.3μm，其余同实施例1。

2)、将均质性复合前驱体装入石墨坩埚置于真空烧结炉中，在2200℃下加热1小时，冷却后，取出，即得碳化硼微粉。经测定，粉体粒径为0.1～2um，纯度达99％以上。

实施例3、一种碳化硼微粉的制备方法，其特征是包括以下步骤：

1)、将竹炭微粉的平均粒径改成0.5μm，其余同实施例1。

2)、将均质性复合前驱体装入石墨坩埚置于真空烧结炉中，在2100℃下加热2小时，冷却后，取出，即得碳化硼微粉。经测定，粉体粒径为0.1～2um，纯度达99％以上。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种碳化硼微粉的制备方法，其特征是包括以下步骤：

1)、室温下，将三氧化二硼和竹炭微粉按照三氧化二硼∶碳＝2∶7的摩尔比进行配比，然后进行机械球磨和粉碎，得均质性复合前驱体；所述竹炭微粉的平均粒径为0.1～0.5μm；

2)、将均质性复合前驱体在真空烧结炉中于2000～2200℃加热1～4小时，冷却后取出，得碳化硼微粉。