CN103193485A - 一种六方氮化硼纤维的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种六方氮化硼纤维的制备方法，属于无机非金属材料科学，无机纤维领域。其特点在于采用三聚氰胺和硼酸为原料,首先采用水浴法制备前驱体纤维，然后将前驱体纤维在500-550℃空气中煅烧保温2个小时除去其中的碳，最后将除过碳的纤维产物在1400-1600℃下通入氮气并保温3-4h进行氮化处理，最终得到纯度和产率均较高的六方氮化硼纤维。本发明的制备过程主要包括水浴法合成前驱体纤维，煅烧脱除前驱体中的碳以及氮化处理三个过程，得到合成出的BN纤维的纯度为95％，产出率为81.3%，其工艺简单，原料廉价，适合大范围推广。

Description

一种六方氮化硼纤维的制备方法

技术领域

本发明属于无机非金属材料科学，无机纤维领域，尤其涉及一种六方氮化硼纤维的制备方法。

背景技术

六方氮化硼是一种性能优异并具有很大发展潜力的新型陶瓷材料，因其具有高温抗氧化性、优良的润滑性、优良的绝缘和介电性能，在航空航天和冶金等领域有着广泛的应用。六方氮化硼纤维材料兼具了氮化硼材料和纤维材料的许多优良特性，具有高比模、高比强、耐腐蚀性、耐高温氧化性、独特的介电性能和与金属、树脂、陶瓷良好的复合相容性。六方氮化硼纤维在2500℃惰性气氛下仍能保持稳定，在氧化性气氛中，850℃下能够保持良好的稳定性。

由于以上的优异性能，六方氮化硼纤维有望在许多行业中得到广泛的应用，如航空航天领域，利用氮化硼纤维的防辐射、防化学腐蚀、防红外线等优点可作为宇航员的安全防护服；氮化硼纤维利用其质轻且强度高的特点，加入到塑料、陶瓷、玻璃中，起到增强性能的作用；氮化硼纤维因其高温稳定性，可用在冶金领域，作为高温粉尘的收集袋、高温炉炉衬材料和高温流体的过滤器。

由于氮化硼纤维的潜在应用能力，引发了对其的研究热潮。目前，六方氮化硼纤维的制备方法大致可以分为两大类，一类是化学转化法，即以氧化硼或硼酸等含硼无机化合物为原料，在高温下（一般≥1500℃）经氮化直接制备。另一类是有机前驱体法，即首先制备含硼的有机聚合物纤维前驱体，再经过高温分解、氮化制得。第一类方法由于制备的纤维直径粗，气固反应不能进行完全，难以制得均相的氮化硼纤维，因而目前对于高性能的氮化硼纤维的制备多采用第二种方法。文献中有不少关于前驱体法制备氮化硼纤维的报道，主要过程是利用小分子的含硼或含氮的物质为原料，经过逐步合成、聚合，得到具有可纺性的前驱体聚合物，将聚合物进行熔融纺丝，得到前驱体纤维，最后经过不熔化处理并在氮气或者氨气气氛下烧制得到氮化硼纤维。然而这一工艺方法合成工艺路线较长，工艺条件苛刻，制得的成品价格昂贵；同时得到的BN纯度和产率都比较低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种六方氮化硼纤维的制备方法。该方法工艺简单易行，所用原料廉价。

本发明的技术方案是：一种六方氮化硼纤维的制备方法，该方法制备过程主要包括水浴法合成前驱体纤维，煅烧脱除前驱体中的碳以及氮化处理三个过程，具体步骤如下：

首先，水浴法制备前驱体纤维：以去离子水为溶剂，将去离子水加热到60-70℃时加入硼酸粉末，并搅拌使粉末完全溶解，继续加热去离子水温度升高至90-100℃，加入三聚氰胺粉末，并搅拌使粉末完全溶解，得到浓度为0.5-0.55mol/L的透明状溶液，持续搅拌20-30min，静置12-24h，生成白色絮状沉淀，对溶液进行抽滤，取滤渣于80℃下烘干，即得前驱体纤维：其中，所述硼酸和三聚氰胺的摩尔比为1:(1-1.3)。

其次，煅烧除碳：将上述步骤制备得到的前驱体纤维在空气中由室温升至500-550℃保温2个小时以除去前驱体纤维中的碳，保温结束后将炉管口密封通入保护气氛氮气，其流量为1.5-2.0L/min；

最后，氮化处理：将经上述步骤处理后前驱体纤维加热至600-1000℃，同时流量为1.5L/min氮气通入氮气，当加热至1000-1600℃时，将氮气流量增大至2L/min，恒温3-4h，，随后缓慢降温至室温，停止通氮最终得到维长200-500μm，直径为1-2μm的六方氮化硼纤维。

本发明的有益效果是：本发明的制备过程主要包括水浴法合成前驱体纤维，煅烧脱除前驱体中的碳以及氮化处理三个过程，得到合成出的BN纤维的纯度为95％，产出率为81.3%，其工艺简单，原料廉价，适合大范围推广。

 

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明实施例中的六方氮化硼纤维的XRD图。

图3为本发明实施例中的六方氮化硼纤维的FTIR图。

图4为本发明实施例中的六方氮化硼纤维的SEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例一：

(1)   前驱体的制备：将盛400ml去离子水的烧杯放入恒温水浴装置中，加热至60℃时，加入6.6g硼酸，继续升温至90℃，加入13.4g三聚氰胺，开启电磁搅拌器搅拌20min直到硼酸和三聚氰胺完全溶解成为透明状溶液。将上述溶液静置24h，得到白色絮状沉淀，对溶液进行抽滤，取滤渣于80℃下烘干，即得到前驱体纤维。

(2)   除碳：将前驱体纤维在空气中由室温升至550℃保温2个小时，通过煅烧以除去前驱体纤维中的碳，保温结束后将炉管口密封继续升温，与此同时开始通入氮气作为保护气，氮气流量为1.5L/min。

(3)   氮化处理：当温度在600-1000℃之间时，氮气流量为1.5L/min。当温度在1000-1600℃时，将氮气流量增大至2L/min并保温3h，随后将炉子缓慢降温至室温，即得到六方氮化硼纤维。

 

实施例二：

(1) 前驱体的制备：将盛400ml去离子水的烧杯放入恒温水浴装置中，加热至70℃时，加入6.6g硼酸，继续升温至90℃，加入14.8g三聚氰胺，开启电磁搅拌器搅拌30min直到硼酸和三聚氰胺完全溶解成为透明状溶液。将上述溶液静置18h，得到白色絮状沉淀，对溶液进行抽滤，取滤渣于80℃下烘干，即得到前驱体纤维。

(2) 除碳：将前驱体纤维在空气中由室温升至500℃保温2个小时，通过煅烧以除去前驱体纤维中的碳，保温结束后将炉管口密封继续升温，与此同时开始通入氮气作为保护气，氮气流量为1.8L/min。

(3)氮化处理：当温度在600-1000℃之间时，氮气流量为1.5L/min。当温度在1000-1500℃时，将氮气流量增大至2L/min并保温4h，随后将炉子缓慢降温至室温，即得到六方氮化硼纤维。

 

实施例三：

(1) 前驱体的制备：将盛400ml去离子水的烧杯放入恒温水浴装置中，加热至70℃时，加入6.6g硼酸，继续升温至100℃，加入17.4g三聚氰胺，开启电磁搅拌器搅拌30min直到硼酸和三聚氰胺完全溶解成为透明状溶液。将上述溶液静置18h，得到白色絮状沉淀，对溶液进行抽滤，取滤渣于80℃下烘干，即得到前驱体纤维。

(2) 除碳：将前驱体纤维在空气中由室温升至550℃保温2个小时，通过煅烧以除去前驱体纤维中的碳，保温结束后将炉管口密封继续升温，与此同时开始通入氮气作为保护气，氮气流量为1.5L/min。

(3)氮化处理：当温度在600-1000℃之间时，氮气流量为1.5L/min。当温度在1000-1550℃时，将氮气流量增大至2L/min并保温4h，随后将炉子缓慢降温至室温，即得到六方氮化硼纤维。

Claims (1)

1.一种六方氮化硼纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

首先，水浴法制备前驱体纤维：以去离子水为溶剂，将去离子水加热到60-70℃时加入硼酸粉末，并搅拌使粉末完全溶解，继续加热去离子水温度升高至90-100℃，加入三聚氰胺粉末，并搅拌使粉末完全溶解，得到浓度为0.5-0.55mol/L的透明状溶液，持续搅拌20-30min，静置12-24h，生成白色絮状沉淀，对溶液进行抽滤，取滤渣于80℃下烘干，即得前驱体纤维：其中，所述硼酸和三聚氰胺的摩尔比为1:(1-1.3)；

其次，煅烧除碳：将上述步骤制备得到的前驱体纤维在空气中由室温升至500-550℃保温2个小时以除去前驱体纤维中的碳，保温结束后将炉管口密封通入保护气氛氮气，其流量为1.5-2.0L/min；

最后，氮化处理：将经上述步骤处理后前驱体纤维加热至600-1000℃，同时流量为1.5L/min氮气通入氮气，当加热至1000-1600℃时，将氮气流量增大至2L/min，恒温3-4h，，随后缓慢降温至室温，停止通氮最终得到维长200-500μm，直径为1-2μm的六方氮化硼纤维。

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