CN107382321B - 一种超细碳化锆粉体及其制备方法 - Google Patents

一种超细碳化锆粉体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超细碳化锆粉体及其制备方法。超细碳化锆粉体的制备方法为：将氧化锆粉末与酚醛树脂于乙醇中混合，混合物干燥固化之后进行破碎过筛，将过筛后的粉体压制成块，然后将块体置于管式气氛炉中保护气氛下进行热处理，将热处理之后的块体置于高温炉中进行高温合成。本发明原料来源广泛且价格低廉，工艺简单易控制，制得的碳化锆粉体纯度高，颗粒细小且粒径分布均匀，具有很大的产业化前景。

Description

一种超细碳化锆粉体及其制备方法
技术领域
本发明涉及化学技术领域，具体涉及陶瓷粉体技术领域，尤其涉及一种超细碳化锆粉体及其制备方法。
背景技术
碳化锆是二元过渡金属碳化物的典型代表，具有较高的熔点、硬度和模量，较好的抗摩擦磨损性能、抗烧蚀性能和耐腐蚀性能，良好的导电和导热性以及优异的热力学稳定性。这些优异的性能使得碳化锆可被用作切削工具、热防护及抗磨损涂层、场发射体及电极材料。此外，碳化锆还具有较低的中子吸收截面和较好的耐辐照性能，因而可用作核反应堆中的惰性基质材料，如核燃料包覆材料等。
由于碳化锆本身具有较强的共价键，因此需要极高的烧结温度和较高的烧结压力才能够制备出致密的碳化锆陶瓷块体。陶瓷材料的烧结过程受原料粒度的影响很大，原料粒度越细小，材料的烧结性能越好。因此，制备高质量的超细碳化锆粉体是很有必要的。目前为止，制备碳化锆粉体有很多方法，如高温自蔓延法、激光裂解法、电弧熔融合成法、化学气相沉积法等。其中，碳热还原制备碳化锆粉体最适合工业化生产。传统的碳热还原一般是以氧化锆为锆源，以石墨(或炭黑)为碳源，两者经机械混合后经高温反应合成。由于锆源和碳源存在较大的密度差异，很难混合均匀，易造成反应不完全，且反应温度高、反应时间长、效率低、能源消耗大，得到的粉体粒度较大，烧结活性差。因此，此方法有待改善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种效率高、工艺条件简单、纯度高且适用于批量生产的制备超细碳化锆粉体的方法，解决了上述传统方法中存在反应温度高，反应时间长，纯度不高，粒径较大等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种技术方案是一种超细碳化锆粉体的制备方法，其包括如下步骤：
(1)将原料氧化锆粉(ZrO2)和酚醛树脂(PF)按照质量比为1.64：(1～1.93)混合均匀，干燥后，于烘箱内进行固化，形成块体；
(2)将前述块体破碎过筛后，放入金属模具中冷压成型，将成型的块体置于通有保护气氛的热处理炉中进行热处理，并保温一段时间；
(3)然后在高温炉中进行高温合成，保温一定时间后冷却得到超细碳化锆粉体。
优选地，步骤(1)中，选用的原料氧化锆粉为分析纯(纯度≥99％)，选用的原料工业酚醛树脂的裂解残碳量为30～50wt.％。
优选地，步骤(1)中，原料的混合方式为以乙醇为溶剂进行滚磨，滚磨时间为4-8小时。
优选地，步骤(2)中，热处理炉为管式气氛炉，热处理温度为800-900℃,保温时间为1-3小时，保温结束后随炉冷却。
优选地，步骤(2)中，热处理保护气氛为氩气或氮气。
优选地，步骤(3)中，合成温度为1550～1700℃，保温时间为1-2小时，保温结束后随炉冷却。
优选地，步骤(3)中，合成在氩气或真空条件下进行。
本发明制备得到的超细碳化锆粉体，粒度可达到80-400nm。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明方法中混合干燥后的原料经裂解后得到的碳源与锆源混合均匀，且能够形成包裹于氧化锆的无定型碳，缩短反应路径，降低反应温度和反应时间，促进碳化锆粉末的合成；
(2)本发明方法中由于无定型碳包裹层的存在，阻碍了氧化锆在达到反应合成温度之前的团聚长大现象，合成的碳化锆粉末粒度细小均匀，粒度为80-400nm；
(3)本发明方法以工业用酚醛树脂为碳源，氧化锆为锆源，以乙醇作为介质，原料来源广泛且价格便宜；
(4)高温合成设备若选用放电等离子烧结炉，能够明显抑制氧化锆在反应过程中的长大，增强反应传质，进一步促进碳化锆粉体合成。
本发明的技术路线可推广应用于其他二元过渡金属碳化物粉体的合成。
附图说明
图1是本发明制得的碳化锆粉体的XRD图谱。
图2是本发明制得的碳化锆粉体的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
介绍和概述
本发明通过举例而非给出限制的方式来进行说明。应注意的是，在本公开文件中所述的“一”或“一种”实施方式未必是指同一种具体实施方式，而是指至少有一种。
下文将描述本发明的各个方面。然而，对于本领域中的技术人员显而易见的是，可根据本发明的仅一些或所有方面来实施本发明。为说明起见，本文给出具体的编号、材料和配置，以使人们能够透彻地理解本发明。然而，对于本领域中的技术人员将显而易见的是，本发明无需具体的细节即可实施。在其他例子中，为不使本发明费解而省略或简化了众所周知的特征。
将各种操作作为多个分立的步骤而依次进行描述，且以最有助于理解本发明的方式来说明；然而，不应将按次序的描述理解为暗示这些操作必然依赖于顺序。
将根据典型种类的反应物来说明各种实施方式。对于本领域中的技术人员将显而易见的是，本发明可使用任意数量的不同种类的反应物来实施，而不只是那些为说明目的而在这里给出的反应物。此外，也将显而易见的是，本发明并不局限于任何特定的混合示例。
具体实施例
实施例1：
1.按质量比m(ZrO2)：m(PF)＝1.64：1.93称取原料氧化锆粉(分析纯，≥99％)、酚醛树脂(工业级)，置于球磨罐中以乙醇为介质滚磨8小时，混合物经磁力搅拌器搅拌干燥之后于烘箱内进行固化，块体经破碎过筛后装入金属模具中冷压成型，将成型的块体置于通有氩气或氮气的管式炉中900℃热处理1小时，之后于置于通有氩气的管式高温炉中1700℃保温2小时。制得的碳化锆粉体粒度为100-400nm。
2.按质量比m(ZrO2)：m(PF)＝1.64：1.47称取原料氧化锆粉(分析纯，≥99％)、酚醛树脂(工业级)，置于球磨罐中以乙醇为介质滚磨6小时，混合物经磁力搅拌器搅拌干燥之后于烘箱内进行固化，块体经破碎过筛后装入金属模具中冷压成型，将成型的块体置于通有氩气或氮气的管式炉中850℃热处理2小时，之后于置于真空放电等离子烧结炉中1600℃保温1小时。制得的碳化锆粉体粒度为80-350nm。
3.按质量比m(ZrO2)：m(PF)＝1.64：1称取原料氧化锆粉(分析纯，≥99％)、酚醛树脂(工业级)，置于球磨罐中以乙醇为介质滚磨4小时，混合物经磁力搅拌器搅拌干燥之后于烘箱内进行固化，块体经破碎过筛后装入金属模具中冷压成型，将成型的块体置于通有氩气或氮气的管式炉中800℃热处理3小时，之后于置于真空放电等离子烧结炉中1550℃保温1.5小时。制得的碳化锆粉体粒度为80-350nm。
以上所述具体实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进或替换，这些改进或替换也应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种超细碳化锆粉体的制备方法，其包括如下步骤：
（1）将原料氧化锆粉和酚醛树脂按照质量比为1.64： 1.93混合均匀，以乙醇为溶剂进行滚磨，滚磨时间为8小时，干燥后，于烘箱内进行固化，形成块体；氧化锆粉为分析纯，纯度≥99%，选用的原料工业酚醛树脂的裂解残碳量为30~50wt.%；
（2）将前述块体破碎过筛后，放入金属模具中冷压成型，将成型的块体置于通有氩气或氮气的管式气氛炉中进行热处理，热处理温度为900℃ 1小时；
（3）然后在氩气的高温炉中进行高温合成，1700℃保温2小时，后冷却得到超细碳化锆粉体。
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