CN103449463B - 一种硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法。其技术方案是：将1~9wt%的锆英石粉、1~9wt%的金属镁粉、2~10wt%的四硼酸钠粉、0.1~0.9wt%的碳粉和75~91wt%的卤化物粉混合，再将混合粉置入管式电炉，在氩气气氛下以2~8℃/min的速率升温至1100~1300℃，保温2~6小时；然后将所得产物放入浓度为2.0~4.0mol/L的盐酸中浸泡3~8小时，过滤，用去离子水清洗过滤后产物至清洗液中用硝酸银检测无沉淀产生，干燥，得硼化锆-碳化硅复合粉体。本发明具有反应温度低、成本低、工艺简单、过程易于控制、产率高和产业化生产前景大的特点；制备的硼化锆-碳化硅复合粉体结晶好、粒度小且分布均匀、无杂相、纯度高、活性高和颗粒团聚小。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料粉体技术领域。具体涉及一种硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法。
背景技术
ZrB2的熔点高(3040℃)、热膨胀系数低、导热及导电性能优异，同时ZrB2与金属熔体不润湿，与Fe液、Cu液和Al液的润湿角分别为105°、132°和103°，具有优良的抗熔融金属及渣液侵蚀的性能，是一种非常有发展前途的高温结构材料。但ZrB2的烧结难、高温抗氧化性能差和韧性差的不足大大限制了ZrB2的应用。引入SiC到ZrB2中形成ZrB2-SiC复合材料，不但可以有效地提高ZrB2的抗氧化性能，还能提高ZrB2的强度和韧性等力学性能。
ZrB2-SiC复合粉体的制备方法主要有碳热还原法、放电等离子烧结法和自蔓延高温合成法等。但这些方法都存在一定的不足。
碳热还原法是以ZrO2、硼酸和硅溶胶为原料、以炭黑为还原剂、在电炉中加热至1300℃以上合成ZrB2-SiC复合粉体的方法。该法虽生成成本低、产量大和原料价廉易得，但工艺过程复杂、产品粒度较粗和产物纯度较低。放电等离子烧结法(SPS)是近些年来倍受重视的一种材料制备新技术，与传统研究的技术相比，放电等离子烧结法虽在更低温度和更短的时间制备出ZrB2-SiC复合材料，但生产成本高。自蔓延高温合成法的工艺虽过程简单、反应速度快和能耗低，但由于其反应速度太快，通常反应无法完全进行，导致杂质相较多，而且其反应过程、产物结构以及性能都不容易控制，无法得到高纯度的ZrB2-SiC粉末。
目前，硼化锆-碳化锆复合粉体的制备技术都存在一定的不足：成本高，合成粉体的纯度较低，工艺过程复杂，不易控制，粉体颗粒粒径分布不均匀，粉体颗粒容易团聚等，极大地限制了硼化锆-碳化锆复合粉体的产业化生产。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的不足，目的是提供一种反应温度低、成本低、合成工艺简单、过程易于控制、产率高和产业化生产前景大的硼化锆-碳化硅复合粉体的制备方法。用该方法制备的硼化锆-碳化硅复合粉体结晶好、活性高、粉体粒径小且分布均匀、颗粒团聚小和纯度高。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：先将1～9wt%的锆英石粉、1～9wt%的金属镁粉、2～10wt%的四硼酸钠粉、0.1～0.9wt%的碳粉和75～91wt%的卤化物粉混合均匀，制得混合粉；再将混合粉置入管式电炉内，在氩气气氛下以2～8℃/min的升温速率升至1100～1300℃，保温2～6小时；然后将所得产物放入浓度为2.0～4.0mol/L的盐酸中浸泡3～8小时，过滤，用去离子水清洗过滤后的产物，清洗至清洗液中用硝酸银检测无沉淀产生，在110℃条件下干燥10～24小时，即得硼化锆-碳化硅复合粉体。
所述锆英石粉中的ZrSiO4含量≥98wt%，粒径≤100μm。
所述四硼酸钠微粉中的Na2B4O7含量≥98wt%，粒径≤200μm。
所述金属镁粉中的Mg含量≥99wt%，粒径≤150μm。
所述碳粉中的C含量≥98wt%，粒径≤200μm。
所述卤化物粉为氯化镁粉、或氯化镁粉与氟化钠粉的混合物；氯化镁和氟化钠均为工业纯或分析纯，粒径均≤200μm。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
1、本发明在熔融盐中实现反应物原子尺度的混合，使反应成分在液相中的流动性增强，扩散速率显著提高，能有效控制反应进程、降低反应温度和缩短反应时间，提高反应物的使用效率，使产率提高；
2、本发明通过熔盐法能更容易地控制晶体颗粒的形状和尺寸，粉体粒度为3～10μm，粉体粒径小且分布均匀；合成产物各组分配比准确，结晶好，成分均匀，无偏析；
3、本发明在反应过程及其随后的清洗过程中，不需要使用特殊的设备及工艺，整个工艺过程简单；采用酸洗结合水洗的方法，有利于杂质的清除，形成高纯的反应物，无杂相；
4、本发明的原料来源广泛和价格低廉，生产成本低，具有很大的产业化生产前景；
5、本发明制备的产物颗粒均匀分散于熔融盐中，避免了相互连接，使得颗粒活性高，分散性很好，极大地降低了溶解洗涤后团聚现象的发生。
因此，本发明具有反应温度低、成本低、合成工艺简单、过程易于控制和产率高的特点；所制备的硼化锆-碳化硅复合粉体结晶好、无杂相、活性高、颗粒团聚小、粉体粒度为3～10μm且分布均匀、纯度高和产业化生产的前景大。
具体实施方式
下面以具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制。
为避免重复，先将本具体实施方式的原料统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述锆英石粉中的ZrSiO4含量≥98wt%，粒径≤100μm。
所述四硼酸钠微粉中的Na2B4O7含量≥98wt%，粒径≤200μm。
所述金属镁粉中的Mg含量≥99wt%，粒径≤150μm。
所述碳粉中的C含量≥98wt%，粒径≤200μm。
所述氯化镁和氟化钠均为工业纯或分析纯，粒径均≤200μm。
实施例1
一种硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法。将6～9wt%的锆英石粉、6～9wt%的金属镁粉、5～8wt%的四硼酸钠粉、0.6～0.9wt%的碳粉和75～81wt%的氯化镁粉混合均匀，制得混合粉；再将混合粉置入管式电炉内，在氩气气氛下以2～4℃/min的升温速率升至1100～1200℃，保温2～4小时；然后将所得产物放入浓度为2.0～2.5mol/L的盐酸中浸泡3～5小时，过滤，用去离子水清洗过滤后的产物，清洗至清洗液中用硝酸银检测无沉淀产生，在110℃条件下干燥10～24小时，即得硼化锆-碳化硅复合粉体。
本实施例所制备的硼化锆-碳化硅复合粉体纯度高，颗粒无团聚，粒度为3～5μm。
实施例2
一种硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法。将6～9wt%的锆英石粉、6～9wt%的金属镁粉、5～8wt%的四硼酸钠粉、0.6～0.9wt%的碳粉和75～81wt%的卤化物粉混合均匀，制得混合粉；再将混合粉置入管式电炉内，在氩气气氛下以2～4℃/min的升温速率升至1100～1250℃，保温3～5小时；然后将所得产物放入浓度为3.0～3.5mol/L的盐酸中浸泡4～6小时，过滤，用去离子水清洗过滤后的产物，清洗至清洗液中用硝酸银检测无沉淀产生，在110℃条件下干燥10～24小时，即得硼化锆-碳化硅复合粉体。
本实施例中卤化物为50～70wt%氯化镁和30～50wt%氟化钠的混合物；本实施例所制备的硼化锆-碳化硅复合粉体纯度高，颗粒无团聚，粒度为4～6μm。
实施例3
一种硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法。将1～4wt%的锆英石粉、4～6wt%的金属镁粉、7～10wt%的四硼酸钠粉、0.4～0.6wt%的碳粉和80～86wt%的氯化镁粉混合均匀，制得混合粉；再将混合粉置入管式电炉内，在氩气气氛下以3～5℃/min的升温速率升至1100～1200℃，保温3～5小时；然后将所得产物放入浓度为3.5～4.0mol/L的盐酸中浸泡5～7小时，过滤，用去离子水清洗过滤后的产物，清洗至清洗液中用硝酸银检测无沉淀产生，在110℃条件下干燥10～24小时，即得硼化锆-碳化硅复合粉体。
本实施例所制备的硼化锆-碳化硅复合粉体纯度高，颗粒无团聚，粒度为5～7μm。
实施例4
一种硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法。将1～4wt%的锆英石粉、4～6wt%的金属镁粉、7～10wt%的四硼酸钠粉、0.4～0.6wt%的碳粉和80～86wt%的卤化物粉混合均匀，制得混合粉；再将混合粉置入管式电炉内，在氩气气氛下以3～5℃/min的升温速率升至1150～1300℃，保温5～6小时；然后将将所得产物放入浓度为2.0～2.5mol/L的盐酸中浸泡3～5小时，过滤，用去离子水清洗过滤后的产物，清洗至清洗液中用硝酸银检测无沉淀产生，在110℃条件下干燥10～24小时，即得硼化锆-碳化硅复合粉体。
本实施例中卤化物为60～85wt%氯化镁和15～40wt%氟化钠的混合物；本实施例所制备的硼化锆-碳化硅复合粉体纯度高，颗粒无团聚，粒度为6～8μm。
实施例5
一种硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法。将4～6wt%的锆英石粉、1～4wt%的金属镁粉、2～6wt%的四硼酸钠粉、0.1～0.4wt%的碳粉和85～91wt%的氯化镁粉混合均匀，制得混合粉；再将混合粉置入管式电炉内，在氩气气氛下以5～8℃/min的升温速率升至1150～1250℃，保温5～6小时；然后将所得产物放入浓度为2.0～2.5mol/L的盐酸中浸泡6～8小时，过滤，用去离子水清洗过滤后的产物，清洗至清洗液中用硝酸银检测无沉淀产生，在110℃条件下干燥10～24小时，即得硼化锆-碳化硅复合粉体。
本实施例所制备的硼化锆-碳化硅复合粉体纯度高，颗粒无团聚，粒度为7～9μm。
实施例6
一种硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法。将4～6wt%的锆英石粉、1～4wt%的金属镁粉、2～6wt%的四硼酸钠粉、0.1～0.4wt%的碳粉和85～91wt%的卤化物粉混合均匀，制得混合粉；再将混合粉置入管式电炉内，在氩气气氛下以2～4℃/min的升温速率升至1100～1200℃，保温2～4小时；然后将所得产物放入浓度为2.5～3.0mol/L的盐酸中浸泡4～6小时，过滤，用去离子水清洗过滤后的产物，清洗至清洗液中用硝酸银检测无沉淀产生，在110℃条件下干燥10～24小时，即得硼化锆-碳化硅复合粉体。
本实施例中卤化物为50～60wt%氯化镁和40～50wt%氟化钠的混合物；本实施例所制备的硼化锆-碳化硅复合粉体纯度高，颗粒无团聚，粒度为8～10μm。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果和突出特点：
1、本具体实施方式在熔融盐中实现反应物原子尺度的混合，使反应成分在液相中的流动性增强，扩散速率显著提高，能有效控制反应进程、降低反应温度和缩短反应时间，提高反应物的使用效率，使产率提高；
2、本具体实施方式通过熔盐法能更容易地控制晶体颗粒的形状和尺寸，粉体粒度为3～10μm，粉体粒径小且分布均匀；合成产物各组分配比准确，结晶好，成分均匀，无偏析；
3、本具体实施方式在反应过程及其随后的清洗过程中，不需要使用特殊的设备及工艺，整个工艺过程简单；采用酸洗结合水洗的方法，有利于杂质的清除，形成高纯的反应物，无杂相；
4、本具体实施方式的原料来源广泛和价格低廉，生产成本低，具有很大的产业化生产前景；
5、本具体实施方式制备的产物颗粒均匀分散于熔融盐中，避免了相互连接，使得颗粒活性高，分散性很好，极大地降低了溶解洗涤后团聚现象的发生。
因此，本具体实施方式具有反应温度低、成本低、合成工艺简单、过程易于控制和产率高的特点；所制备的硼化锆-碳化硅复合粉体结晶好、无杂相、活性高、颗粒团聚小、粉体粒度为3～10μm且分布均匀、纯度高和产业化生产的前景大。
Claims (6)
1.一种硼化锆-碳化硅复合粉体的制备方法，其特征在于先将1～9wt%的锆英石粉、1～9wt%的金属镁粉、2～10wt%的四硼酸钠粉、0.1～0.9wt%的碳粉和75～91wt%的卤化物粉混合均匀，制得混合粉；再将混合粉置入管式电炉内，在氩气气氛下以2～8℃/min的升温速率升至1100～1300℃，保温2～6小时；然后将所得产物放入浓度为2.0～4.0mol/L的盐酸中浸泡3～8小时，过滤，用去离子水清洗过滤后的产物，清洗至清洗液中用硝酸银检测无沉淀产生，在110℃条件下干燥10～24小时，即得硼化锆-碳化硅复合粉体。
2.根据权利要求1所述硼化锆-碳化硅复合粉体的制备方法，其特征在于所述锆英石粉中的ZrSiO4含量≥98wt%，粒径≤100μm。
3.根据权利要求1所述硼化锆-碳化硅复合粉体的制备方法，其特征在于所述四硼酸钠微粉中的Na2B4O7含量≥98wt%，粒径≤200μm。
4.根据权利要求1所述硼化锆-碳化硅复合粉体的制备方法，其特征在于所述金属镁粉中的Mg含量≥99wt%，粒径≤150μm。
5.根据权利要求1所述硼化锆-碳化硅复合粉体的制备方法，其特征在于所述碳粉中的C含量≥98wt%，粒径≤200μm。
6.根据权利要求1所述硼化锆-碳化硅复合粉体的制备方法，其特征在于所述卤化物粉为氯化镁粉、或氯化镁粉与氟化钠粉的混合物；氯化镁和氟化钠均为工业纯或分析纯，粒径均≤200μm。
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