CN105986323A - 一种制备微纳米级TiB2晶须的方法 - Google Patents

一种制备微纳米级TiB2晶须的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种制备微纳米级TiB2晶须的方法，属于无机非金属功能材料技术领域。该方法首先以Mg粉、TiO2粉、B2O3粉为原料，加入不同含量的Cu2O作为催化剂，采用自蔓延高温合成技术(SHS)制备出TiB2+MgO的复合粉体，然后采用稀盐酸酸洗去除杂质相MgO，得到微纳米级TiB2晶须。用该方法可以生成大量高长径比TiB2晶须，晶须直径大多仅有50nm，少量可达5-10nm，长度可达5μm以上。本制备方法具有原料丰富易得，制备过程简单易操作，设备简单，TiB2晶须产率高，可大批量生产等特点，制备出的微纳米级TiB2晶须可以作为接触性纳米加工的探针元件和复相陶瓷的增韧补强原料。

Description

一种制备微纳米级TiB2晶须的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备硼化物晶须的自蔓延高温合成方法。
背景技术：
1981年Binning和Rohrer利用量子理论中的隧道效应发明了扫描隧道显微镜(scanning tunnelingmicroscopy，STM)，并很快应用到生物科学的研究中。随后又出现了与STM技术相似的扫描探针显微镜(scanning probe microscopy，SPM)，不同的是它不是采用物镜成像，而是采用尖锐的探针扫描待测样品表面的性质。
隧道探针是扫描探针显微镜系统中的关键元件之一，也是SPM技术中要解决的主要问题之一。由SPM的工作原理可知，扫描探针显微镜的分辨率取决于探针针尖的尖锐程度。要达到一定的分辨率隧道探针至少要满足两个条件：导电性和纳米量级的针尖曲率半径。传统的探针针尖是由单晶硅(Si)和氮化硅(Si3N4)制作的，是微悬臂-针尖一体化的结构。这样结构的针尖是金字塔形的，其锥角为20～30°，硅针尖的曲率半径为5～10nm，氮化硅的曲率半径为20～60nm。为了提高扫描探针显微镜的分辨率，研究人员往往需要采取一系列技术措施来改善针尖的这些几何因素，如用氧化的方法使氮化硅针尖的曲率半径降到5nm之小，同时改善了其纵横比，采用电子束加工改善硅针尖的纵横比，针尖的半径可降低到5nm以下。另外由于Si3N4针尖不导电，无法用于对样品电学性质做测量，而Si针尖是半导体，这会给电学测量结果的分析带来不便。
TiB2是具有六方晶系C32结构的准金属化合物，是B-Ti二元系统中最稳定的化合物。由于其特殊的晶体结构，TiB2作为功能材料和结构材料在复杂环境中得到了广泛的应用。作为结构材料，TiB2可以直接用于制备陶瓷刀具、拉丝模、喷嘴和磨料，也可以用于生产高性能的硬质合金和复相陶瓷；作为功能材料，TiB2可制作大电流电极、导轨和电枢等功能部件，而且是制备红外辐射涂层的理想原料。
由于其良好的机械性能以及良好的导电性，晶须形态的TiB2有望在扫描探针显微镜(SPM)中作为接触性纳米加工的探针元件。亦可作为控制棒的组成材料，有望用于高温核反应堆；根据晶须增韧的机理，晶须形态的TiB2可以作为复相陶瓷中的添加材料，发挥其显著的增韧补强的作用。
迄今为止，有关制备TiB2基复相陶瓷的报道已有很多，有关制备TiB2单相陶瓷的报道也有一些，但是关于制备TiB2晶须、纳米棒的报道尚未检索到。其原因主要由于熔点很高(2980℃)，制备TiB2晶须、纳米棒的难度很大。
自蔓延高温合成(SHS)技术是一种利用高放热反应的能量使化学反应自动地持续下去，从而达到合成与制备材料的方法。与直接合成法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法等方法相比，自蔓延高温合成技术具有产品纯度高、产量高，能耗小，成本低，易操作等优点。
如何利用SHS方法制备出晶须TiB2是本发明的技术关键，本发明提供了制备的配方及详细的工艺流程。
发明内容：
本发明要解决的技术问题是提供一种制备微纳米级TiB2晶须的方法。本发明以反应式TiO2+B2O3+5Mg→TiB2+5MgO为基础，以Mg、B2O3、TiO2粉末为原料，Cu2O粉末为添加剂，充分混合后，采用自蔓延高温合成法制备出含有MgO、TiB2相的复合微粉，然后通过研磨、酸洗除杂、清洗、过滤后烘干即可得到含有微纳米级TiB2晶须的TiB2微粉。
作为优选Mg、B2O3、TiO2混合粉末按照摩尔比5∶1∶1进行配比，Cu2O(粉末)的添加量占Mg、B2O3、TiO2混合粉末总重量的4％-6％。
作为优选Mg、B2O3、TiO2和Cu2O的混合粉末在混料机中的混合时间为60-120min。
作为优选在对产物进行酸洗除杂时选择配置质量浓度为15％-30％的盐酸溶液，在40-60℃下超声波辅助酸洗10～15min。
用上述方法可以生成大量高长径比TiB2晶须，晶须直径大多仅有50nm，少量可达5-10nm。长度可达5μm以上。本制备方法具有原料丰富易得，制备过程简单易操作，设备简单，TiB2晶须产率高，可大批量生产等特点。
附图说明：
附图1为酸洗后产物的XRD图谱。
附图2为酸洗后产物的SEM形貌。
具体实施方式：
实施例1：
取44.85g Mg粉；29.46g TiO2粉；25.69g B2O3粉；4g Cu2O粉(占Mg、B2O3、TiO2混合粉末总重量的4％)，将称量好的原料依次放入混料机中，混合90min，将混合均匀的原料置于石墨坩埚中，用电阻丝引燃进行自蔓延高温合成反应，将制得的燃烧产物研磨后收集待用。
将燃烧制得并研磨后的产物放入烧杯中，配置浓度为25％的盐酸溶液，在50℃下，超声波辅助酸洗15min，用蒸馏水将酸洗后的产物进行4次水洗，将产物过滤后，放入烘箱中，在100℃保温30min，烘干后得到含有TiB2晶须的TiB2微粉。
实施例2：
取44.85g Mg粉；29.46g TiO2粉；25.69g B2O3粉；5g Cu2O粉(占Mg、B2O3、TiO2混合粉末总重量的5％)，将称量好的原料依次放入混料机中，混合90min，将混合均匀的原料置于石墨坩埚中，用电阻丝引燃进行自蔓延高温合成反应，将制得的燃烧产物研磨后收集待用。
将燃烧制得并研磨后的产物放入烧杯中，配置浓度为25％的盐酸溶液，在50℃下，超声波辅助酸洗15min，用蒸馏水将酸洗后的产物进行4次水洗，将产物过滤后，放入烘箱中，在100℃保温30min，烘干后得到含有TiB2晶须的TiB2微粉。
实施例3：
取44.85g Mg粉；29.46g TiO2粉；25.69g B2O3粉；6g Cu2O粉(占Mg、B2O3、TiO2混合粉末总重量的6％)，将称量好的原料依次放入混料机中，混合90min，将混合均匀的原料置于石墨坩埚中，用电阻丝引燃进行自蔓延高温合成反应，将制得的燃烧产物研磨后收集待用。
将燃烧制得并研磨后的产物放入烧杯中，配置浓度为25％的盐酸溶液，在50℃下，超声波辅助酸洗15min，用蒸馏水将酸洗后的产物进行4次水洗，将产物过滤后，放入烘箱中，在100℃保温30min，烘干后得到含有TiB2晶须的TiB2微粉。

Claims (5)

1.一种制备微纳米级TiB2晶须的方法，其特征在于该方法包含以下步骤：
(1)将Mg、TiO2、B2O3、利Cu2O的混合粉末放入混料机中均匀混合；
(2)将混合均匀的原料置于球墨坩埚中，用电阻丝引燃进行自蔓延高温合成反应，将制得的燃烧产物研磨后收集待用；
(3)将研磨后的产物放入烧杯中，用盐酸溶液酸洗除杂；
(4)用蒸馏水将酸洗后的产物进行水洗，过滤、烘干后得到含有TiB2晶须的TiB2微粉。
2.根据权利要求1所述的制备TiB2晶须的方法，其特征在于：Mg、B2O3、TiO2混合粉末按照重量比5∶1∶1进行配比。
3.根据权利要求1所述的制备TiB2晶须的方法，其特征在于：Cu2O粉末的添加量占Mg、B2O3、TiO2混合粉末总重量的4％-6％。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的制备TiB2晶须的方法，其特征在于：Mg、B2O3、TiO2和Cu2O的混合粉末在混料机中的混合时间为60-120min。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的制备TiB2晶须的方法，其特征在于：对研磨后的产物进行酸洗除杂时选择配置质量浓度为15％-30％的盐酸溶液，在40-60℃下超声波辅助酸洗10～15min。
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