CN106478111A - 一种ZrB2陶瓷的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ZrB2陶瓷的制备方法，其特步骤如下：一、将ZrO2粉、B4C（B2O3）粉和C粉放入球磨罐中进行充分混合，然后在真空炉中煅烧混合粉体，获得ZrB2粉体；二、在ZrB2粉体中加入粘合剂，搅拌均匀后装入模具中进行压力成型，从模具中脱模，获得素坯；三、将素坯平放在高纯氧化铝陶瓷片上，然后一起放入真空烧结炉中烧结，随炉冷却，得到ZrB2陶瓷。本发明ZrB2陶瓷采用真空烧结的方法，采用ZrO2粉、B4C（B2O3）粉和C粉，适当增加的B4C（B2O3）粉和C粉摩尔比，由于B4C（B2O3）粉和C粉容易在真空炉中氧化分解，因而提高B4C粉和C粉摩尔比例，能够更把握的获得化学配比的ZrB2粉体。这种方法简单易行，粉体混合操作温度为室温，可以进行较精确的控制。

Description

一种ZrB2陶瓷的制备方法
技术领域
本发明属于技术领域，涉及一种ZrB2的制备方法，具体涉及一种采用高温真空烧结法制备ZrB2陶瓷的方法。
背景技术
ZrB2陶瓷（zirconium diboride ceramics）是一种常见的超高温陶瓷材料，ZrB2陶瓷的熔点较高、硬度大、热导率高、抗热震性能良好、导电性能和中子控制能力强，除此之外ZrB2陶瓷还有诸多其他良好的特性。因其具有各方面良好性能，所以被广泛应用在各个领域，可以作为耐火材料、电极材料、中子吸收材料和刀具等其他材料。鉴于ZrB2陶瓷具有诸多的优良性能，因此国内外学者对二硼化锆陶瓷的制备方法的研究不断开展。
ZrB2陶瓷是超高温陶瓷材料，它的特点是高熔点、高硬度和化学稳定性，并表现出了良好的导电性与导热性等性能，因而ZrB2材料兼具有陶瓷与金属两种材料的特性，是当今发展最为关注的先进材料之一。
ZrB2是离子键和共价键化合物，其高熔点、高强度、高硬度、优良的导电率(且导电率温度系数为正) 和低的热膨胀系数等优良性能，被广泛应用于航空、航天领域。而且，ZrB2因化学稳定性强，在阻燃、耐热、耐腐蚀和轻质等优良的特殊性质，可以作为较好的耐火材料。除此之外，由于B原子具有较高的中子吸收特性，ZrB2材料还被应用于核电材料，ZrB2薄膜作为核反应堆燃料芯块的可燃中子毒物得以广泛应用。
ZrB2中存在Zr-Zr 金属键，电阻率很低，是电子传导导电机制，可用于触点材料和电极材料，是金属热电偶的电极和高温发热元件的候选材料。
ZrB2陶瓷具有极高的硬度，被应用与刀具和切削工具。此外，ZrB2因具有很好的耐腐蚀性能，在抗腐蚀、抗氧化薄膜方面也应用得较多。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以获得致密的ZrB2陶瓷的制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种ZrB2陶瓷的制备方法，包括混料、成型与脱模、烧结与后处理三个步骤，具体实施步骤如下：
一、混料：将ZrO2粉、B4C粉和C粉按照摩尔比为2：(1.00～1.10)：(3.00~3.20)或ZrO2粉、B2O3粉和C粉的摩尔比为1：(1.00～1.20)：(5.00~5.20)的比例放入球磨罐中进行充分混合，然后在真空炉中煅烧混合粉体，获得ZrB2粉体；
二、成型与脱模：在ZrB2粉体中加入粘合剂，搅拌均匀后装入模具中进行压力成型，从模具中脱模，获得素坯；
三、烧结与后处理：将素坯平放在高纯氧化铝陶瓷片上，然后一起放入真空烧结炉中烧结，随炉冷却，得到ZrB2陶瓷。
作为一种优选，所述混料过程中，三种原料的粒径均小于10µm且三者粒径不同，通过颗粒级配的方法，获得最佳混合效果。
作为一种优选，所述模具为压力成型模具，压力成型模具为全金属材料，使用数控设备加工出设计所要求的模具。
作为一种优选，所述粘结剂为PVA粘结剂，其添加量为ZrB2粉体重量的1~5%。
作为一种优选，所述压力成型过程中，为了防止成型坯体粘结金属模具上而使坯体开裂，在压制坯体的上下方都放入与压杆相同尺寸的纸片，起到隔离的作用，模具内壁表面刷上硬脂酸、油酸等作为脱模剂，在压力机的作用，压力加压到10~15MPa，并保压5~10min，充分加压。如果压力过大，脱模时产生的弹性后效作用容易使坯体开裂。
作为一种优选，所述素坯取出后，在室温环境中保持20min，充分释放成型后续的残余压力。
作为一种优选，所述烧结的具体要求为：真空度为10~30Pa，根据反应烧结曲线进行烧结，即：1.5~2h从室温升高到1200～1250℃，然后在1～1.5h升温至1600～1650℃保温1～1.5h。
本发明具有以下有益效果：
1、ZrB2陶瓷采用真空烧结的方法，采用ZrO2粉、B4C（B2O3）粉和C粉，适当增加的B4C（B2O3）粉和C粉摩尔比，由于B4C（B2O3）粉和C粉容易在真空炉中氧化分解，因而提高B4C（B2O3）粉和C粉摩尔比例，能够更把握的获得化学配比的ZrB2粉体。这种方法简单易行，粉体混合操作温度为室温，可以进行较精确的控制。
2、ZrB2陶瓷的制备方法是炭热还原法，本发明制备出的ZrB2陶瓷制备容易操作，这样有效地提高了产品率。
附图说明
图1为ZrB2陶瓷制备工艺流程图；
图2为ZrB2粉体和陶瓷的XRD衍射图谱，(a)ZrB2粉体，(b)ZrB2陶瓷；
图3为ZrB2粉体SEM显微形貌；
图4为ZrB2陶瓷SEM断口显微形貌；
图5为ZrB2陶瓷实物照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
如图1所示，本实施例按照如下步骤制备ZrB2陶瓷：
（1）混料：采用市售的ZrO2、B4C、C粉作为原材料，这三种原料的粒径均小于10µm且三者粒径不同，ZrO2、B4C、C粉的摩尔比为2：1：3。称量完毕，将它们倒入球磨罐中，采用ZrO2磨球进行研磨混合8h，达到均匀混合的效果。
混合后的粉体在真空炉中热处理，将混合好的粉体装入氧化铝陶瓷杯中，放入真空烧结炉，加热至1600℃保温1h进行煅烧，以获得ZrB2粉体。
反应方程式如下：
2ZrO2+B4C+3C→2ZrB2+4CO (1)
（2）模具制备：采用金属作为模具材料，采用机械加工的方法制备一个单向压力金属模具。
（3）压制：将煅烧好的ZrB2粉体中加入1%粘合剂，搅拌均匀后放入金属模具中，使用压力机对模具加载，压力加压到10MPa，并保压5min。
（4）烧结：从模具中脱模，获得素坯，将制备好的素坯放置到氧化铝平板上，然后将氧化铝平板和素坯一起放入真空烧结炉中，关闭炉门，抽真空，将真空度抽至10~30Pa。开启真空烧结炉加热，温度工艺曲线为：1.5h从室温升高到1200℃，然后在1h升温至1600℃保温1h，然后2h降温，方式为随炉冷却。
（5）后处理： 当炉温降到室温后，打开真空烧结炉，取出ZrB2陶瓷。
由图2可以看出，本实施例制备的ZrB2粉体和陶瓷XRD衍射图谱确定为纯相，没有其他物相衍射峰。由图3可以看出，本实施例制备的ZrB2粉体颗粒尺寸在1～5um范围。由图4可以看出，实施例制备的ZrB2陶瓷断口粒径比较均匀，致密度较好；图5是制备的ZrB2陶瓷的图片。
实施例2：
如图1所示，本实施例按照如下步骤制备ZrB2陶瓷：
（1）混料：采用市售的ZrO2、B2O3、C粉作为原材料，这三种原料的粒径均小于10µm且三者粒径不同，ZrO2、B2O3、C粉的摩尔比为1：1.10：5.00。称量完毕，将它们倒入球磨罐中，采用ZrO2磨球进行研磨混合8h，达到均匀混合的效果。
混合后的粉体在真空炉中热处理，将混合好的粉体装入氧化铝陶瓷杯中，放入真空烧结炉，加热至1600℃保温1h进行煅烧，以获得ZrB2粉体。
反应方程式如下：
ZrO2+B2O3+5C→ZrB2+5CO (2)
（2）模具制备：采用金属作为模具材料，采用机械加工的方法制备一个单向压力金属模具。
（3）压制：将煅烧好的ZrB2粉体中加入1%粘合剂，搅拌均匀后放入金属模具中，使用压力机对模具加载，压力加压到10MPa，并保压5min。
（4）烧结：从模具中脱模，获得素坯，将制备好的素坯放置到氧化铝平板上，然后将氧化铝平板和素坯一起放入真空烧结炉中，关闭炉门，抽真空，将真空度抽至10~30Pa。开启真空烧结炉加热，温度工艺曲线为：1.5h从室温升高到1200℃，然后在1h升温至1600℃保温1h，然后2h降温，方式为随炉冷却。
（5）后处理：当炉温降到室温后，打开真空烧结炉，取出ZrB2陶瓷。

Claims (9)

1.一种ZrB2陶瓷的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：
一、混料：将ZrO2粉、B4C粉和C粉按照摩尔比为2：(1.00～1.10)：(3.00~3.20)的比例放入球磨罐中进行充分混合，然后在真空炉中煅烧混合粉体，获得ZrB2粉体；
二、成型与脱模：在ZrB2粉体中加入粘合剂，搅拌均匀后装入模具中进行压力成型，从模具中脱模，获得素坯；
三、烧结与后处理：将素坯平放在高纯氧化铝陶瓷片上，然后一起放入真空烧结炉中烧结，随炉冷却，得到ZrB2陶瓷。
2.根据权利要求1所述的ZrB2陶瓷的制备方法，其特征在于所述ZrO2粉、B4C粉和C粉的粒径均小于10µm且三者粒径不同。
3.根据权利要求1所述的ZrB2陶瓷的制备方法，其特征在于所述步骤一替换为：将ZrO2粉、B2O3粉和C粉的摩尔比为1：(1.00～1.20)：(5.00~5.20)的比例放入球磨罐中进行充分混合，然后在真空炉中煅烧混合粉体，获得ZrB2粉体。
4.根据权利要求3所述的ZrB2陶瓷的制备方法，其特征在于所述ZrO2粉、B2O3粉和C粉的粒径均小于10µm且三者粒径不同。
5.根据权利要求1所述的ZrB2陶瓷的制备方法，其特征在于所述模具为压力成型模具。
6.根据权利要求5所述的ZrB2陶瓷的制备方法，其特征在于所述压力成型模具为全金属材料。
7.根据权利要求1所述的ZrB2陶瓷的制备方法，其特征在于所述粘结剂为PVA粘结剂，其添加量为ZrB2粉体重量的1~5%。
8.根据权利要求1所述的ZrB2陶瓷的制备方法，其特征在于所述压力成型过程中，压力加压到10~15MPa，并保压5~10min。
9.根据权利要求1所述的ZrB2陶瓷的制备方法，其特征在于所述烧结的具体要求为：真空度为10~30Pa，根据反应烧结曲线进行烧结，即：1.5~2h从室温升高到1200～1250℃，然后在1～1.5h升温至1600～1650℃保温1～1.5h。
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