CN102557642A - 利用含锆有机物前驱体合成硼化锆粉体材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超高温陶瓷材料领域，具体为一种利用含锆有机物前驱体合成硼化锆ZrB₂粉体材料的制备方法。采用含锆有机物前驱体、葡萄糖以及硼酸作为原料合成硼化锆陶瓷(ZrB₂)粉体材料。首先，将含锆有机物前驱体、葡萄糖和硼酸按照一定比例在无水乙醇的水溶液中溶解并磁性搅拌均匀，然后将此均匀混合溶液在空气中烘干。接下来将烘干得到的粉末装入石墨模具中在通有保护气体气氛的管式炉中热解。最后将热解获得的粉末在真空炉中热处理，合成出纯净的硼化锆。本发明工艺简单、成本低廉且可操作性强，能够在较低的温度下合成纯净的超高温陶瓷ZrB₂粉体材料。

Description

利用含锆有机物前驱体合成硼化锆粉体材料的制备方法

技术领域

本发明涉及超高温陶瓷材料领域，具体为一种利用含锆有机物前驱体合成硼化锆ZrB₂粉体材料的制备方法。

背景技术

硼化锆(ZrB₂)是一种研究和应用十分广泛的超高温陶瓷。由于它们都具有强的共价键，从而具有高熔点、高硬度、耐腐蚀以及良好的导电导热性，在航空、航天以及核工业等一些超高温结构部件中有着潜在的应用。与传统的制备方法相比，利用液态陶瓷前驱体制备陶瓷能够使反应物混合更加均匀(原子尺度或分子尺度均匀混合)，从而能够在较低的合成温度下得到纯净的陶瓷材料。近几年来，人们广泛研究了利用陶瓷材料对碳/碳复合材料进行改性的方法，而利用陶瓷前驱体溶液可以方便地对碳/碳复合材料进行浸渍并原位合成陶瓷粉体对碳/碳进行改性，并且其较低的合成温度也可以减少对碳纤维的破坏，所以利用陶瓷前驱体制备超高温陶瓷具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用含锆有机物前驱体合成硼化锆粉体材料的制备方法，其工艺简单、成本低廉且可操作性强，能够在较低的温度下合成纯净的超高温陶瓷ZrB₂粉体材料。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种利用含锆有机物前驱体合成硼化锆粉体材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)以含锆有机物前驱体作为锆源、葡萄糖(C₆H₁₂O₆)作为碳源和硼酸(H₃BO₃)作为硼源的有机物原料来制备ZrB₂粉体材料，将含锆有机物前驱体、葡萄糖和硼酸溶解于无水乙醇的水溶液中；其中：

按重量比计，含锆有机物前驱体∶葡萄糖∶硼酸为2∶(0.8～1.5)∶(1.2～1.8)；按体积比计，无水乙醇的水溶液中，无水乙醇∶水为1∶(5～10)；

(2)利用磁性搅拌将步骤(1)溶液混合均匀后，利用烘箱在空气中80～200℃烘干该溶液，获得烘干粉末；

(3)对步骤(2)所得烘干粉末进行热处理，利用管式炉在惰性气体保护下，在600～1200℃保温0.5～3小时，随炉冷却至室温；

(4)对步骤(3)所得热处理粉末进一步处理，利用真空炉在惰性气体保护下，在1300～1700℃保温1～5小时，随炉冷却至室温，得到纯净的ZrB₂粉体材料。

本发明中，所用的葡萄糖及无水乙醇均为分析纯，水为去离子水。所述惰性气体为体积纯度≥99.9％的氩气。

本发明中，含锆有机物前驱体分子式为ZrOCl₂。

本发明中，得到的ZrB₂粉体材料的纯度为≥95wt.％，粉末粒度≤0.8μm。

本发明采用含锆有机物前驱体、葡萄糖以及硼酸作为原料合成硼化锆陶瓷(ZrB₂)粉体材料中，其主要反应式为：

ZrOCl₂+H₂O+C₂H₅OH→Zr(OH)₂+2HCl+C₂H₃OH

2H₃BO₃→3H₂O+B₂O₃

C₆H₁₂O₆→6C+6H₂O

Zr(OH)₂+4C+B₂O₃→ZrB₂+4CO+H₂O

本发明具有如下优点：

1.采用葡萄糖作为碳源，硼酸作为硼源，乙醇的水溶液作为溶剂，由于反应物均溶于乙醇的水溶液，使得反应物能够在分子水平上均匀混合，能够在较低温度和较低成本下合成出纯净的硼化锆ZrB₂粉体材料。

2.原料采用葡萄糖和硼酸，利用乙醇水溶液作为溶剂，成本低廉，对环境无污染。所获得的前驱体溶液均一稳定，在实际生产中更便于操作。

附图说明

图1为本发明陶瓷前驱体低温热解后以及所合成的硼化锆ZrB₂粉体的X射线衍射图。

图2为本发明所合成的颗粒的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面通过实例详述本发明。

实施例1

将含锆有机物前驱体(ZrOCl₂)10.2克、葡萄糖7.02克和硼酸7.98克溶解于无水乙醇溶剂中(其中无水乙醇为10.5mL，去离子水为55.2mL)，利用磁性搅拌搅拌20min后，将混合均匀的前驱体溶液倒入表面皿，并放置于烘箱中在150℃下2小时烘干。将烘干粉末装入石墨坩埚中，利用管式炉处理，升温速度为10℃/分钟，加热到1000℃保温1小时，随炉冷却至室温后，将坩埚转移至真空炉中热处理，升温速度为15℃/分钟，加热到1500℃保温1小时，随炉冷却。在上述管式炉和真空炉中都是在体积纯度≥99.9％的氩气气氛下进行的，获得的粉体材料经X射线衍射分析为纯净的硼化锆(图1)，ZrB₂粉体材料的纯度为98wt.％，其生成的粉末粒度约为0.8μm(如图2)。

实施例2

将含锆有机物前驱体(ZrOCl₂)6.4克、葡萄糖4.8克和硼酸5.76克溶解于无水乙醇溶剂中(其中无水乙醇为6.5mL，去离子水为64.5mL)，利用磁性搅拌搅拌20min后，将混合均匀的前驱体溶液倒入表面皿，并放置于烘箱中在80℃下4小时烘干。将烘干粉末装入石墨坩埚中，利用管式炉处理，升温速度为10℃/分钟，加热到1200℃保温0.5小时，随炉冷却至室温后，将坩埚转移至真空炉中热处理，升温速度为15℃/分钟，加热到1300℃保温5小时，随炉冷却。在上述管式炉和真空炉中都是在体积纯度≥99.9％的氩气气氛下进行的，获得的粉体材料经X射线衍射分析为纯净的硼化锆，ZrB₂粉体材料的纯度为99wt.％，其生成的粉末粒度约为0.6μm。

实施例3

将含锆有机物前驱体(ZrOCl₂)15.6克、葡萄糖6.24克和硼酸9.36克溶解于无水乙醇溶剂中(其中无水乙醇为14.5mL，去离子水为87.2mL)，利用磁性搅拌搅拌20min后，将混合均匀的前驱体溶液倒入表面皿，并放置于烘箱中在200℃下1.5小时烘干。将烘干粉末装入石墨坩埚中，利用管式炉处理，升温速度为10℃/分钟，加热到600℃保温3小时，随炉冷却至室温后，将坩埚转移至真空炉中热处理，升温速度为15℃/分钟，加热到1700℃保温1小时，随炉冷却。在上述管式炉和真空炉中都是在体积纯度≥99.9％的氩气气氛下进行的，获得的粉体材料经X射线衍射分析为纯净的硼化锆，ZrB₂粉体材料的纯度为98wt.％，其生成的粉末粒度约为0.7μm。

Claims (5)

1.一种利用含锆有机物前驱体合成硼化锆粉体材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)以含锆有机物前驱体作为锆源、葡萄糖作为碳源和硼酸作为硼源的有机物原料来制备ZrB₂粉体材料，将含锆有机物前驱体、葡萄糖和硼酸溶解于无水乙醇的水溶液中；其中：

按重量比计，含锆有机物前驱体∶葡萄糖∶硼酸为2∶(0.8～1.5)∶(1.2～1.8)；按体积比计，无水乙醇的水溶液中，无水乙醇∶水为1∶(5～10)；

(2)利用磁性搅拌将步骤(1)溶液混合均匀后，利用烘箱在空气中80～200℃烘干该溶液，获得烘干粉末；

(3)对步骤(2)所得烘干粉末进行热处理，利用管式炉在惰性气体保护下，在6001200℃保温0.5～3小时，随炉冷却至室温；

(4)对步骤(3)所得热处理粉末进一步处理，利用真空炉在惰性气体保护下，在1300～1700℃保温1～5小时，随炉冷却至室温，得到纯净的ZrB₂粉体材料。

2.按照权利要求1所述的利用含锆有机物前驱体合成硼化锆粉体材料的制备方法，其特征在于，葡萄糖及无水乙醇均为分析纯，水为去离子水。

3.按照权利要求1所述的利用含锆有机物前驱体合成硼化锆粉体材料的制备方法，其特征在于，惰性气体为体积纯度≥99.9％的氩气。

4.按照权利要求1所述的利用含锆有机物前驱体合成硼化锆粉体材料的制备方法，其特征在于，含锆有机物前驱体分子式为ZrOCl₂。

5.按照权利要求1所述的利用含锆有机物前驱体合成硼化锆粉体材料的制备方法，其特征在于，ZrB₂粉体材料的纯度为≥95wt.％，粉末粒度为≤0.8μm。

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