CN108584973A - 一种六方片状硼化锆粉体的制备方法 - Google Patents

一种六方片状硼化锆粉体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种六方片状硼化锆粉体的制备方法，属于超高温陶瓷粉体制备技术领域。该制备方法是将二氧化锆粉和无定形硼粉与熔盐混合均匀后，在惰性气体保护下在1000~1050℃的条件下热处理1~3 h，然后用热的去离子水和无水乙醇溶解熔盐以及反应副产物B2O3，得到纯的六方片状硼化锆粉体。本发明方法具有工艺简单、制备周期短、合成温度低（1000~1050℃）、产物纯度高等特点。此外，通过调整合成温度以及熔盐量可以有效控制合成硼化锆粉体的形貌和尺寸，这些优点使该方法具有发展成大规模工业生产的潜力。

Description

一种六方片状硼化锆粉体的制备方法
技术领域
本发明涉及超高温陶瓷粉体制备技术领域，具体涉及一种六方片状硼化锆(ZrB2)粉体的制备方法。
背景技术
超高温陶瓷材料主要包括一些过渡金属的硼化物、氮化物和碳化物等，这些材料的熔点均在3000℃以上。其中，ZrB2陶瓷具有最低的密度(6.09g/cm3)、较高的热导率(65～135W/mK)、较低的热膨胀系数和较好的抗氧化烧蚀性能，是一种非常有前途的超高温防热材料。然而，该材料本身固有的脆性限制了其在极端环境下的应用，如何提高其韧性是实现该材料在超高温气流冲刷极端环境下应用的关键。片状ZrB2陶瓷粉体的合成是提高ZrB2陶瓷材料韧性的一种有效手段。然而，目前国内外研究者关于片状ZrB2粉体的制备方法报道较少。
文献1:“Hu C,Zou J,Huang Q,et al.Synthesis of Plate-LikeZrB2Grains.Journal of the American Ceramic Society,2012,95(1):85～88”介绍了一种以Zr、Mo金属粉末、硼粉和Si粉为实验原料在高温下反应制得片状ZrB2粉体的方法。但该方法不但合成温度较高(1550℃)，而且制备的片状ZrB2粉体含有Si，MoSi2等杂质，无法制备出纯的片状ZrB2粉体，上述缺点严重限制了该方法的广泛应用。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种六方片状ZrB2粉体的制备方法。该方法以ZrO2粉、硼粉、KCl和NaCl为原料，利用ZrO2粉和硼粉分散在熔盐中并在较低温度下反应制备出六方片状ZrB2粉体。该方法合成温度低(1000～1050℃)、制备周期短、生产成本低，制备的ZrB2粉体纯度高，并且通过调整制备工艺可以对ZrB2粉体的形貌和尺寸进行控制。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种六方片状ZrB2粉体的制备方法。该方法包括步骤：
(1)取二氧化锆ZrO2粉、硼粉、氯化钾KCl、氯化钠NaCl置于玛瑙研钵中并手动研磨，然后将该混合粉体转移至刚玉方舟中；
(2)将方舟放入管式炉中，升温后再保温，随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通氩气Ar保护；
(3)将方舟取出并将方舟中的混合物先用去离子水洗涤、过滤后干燥，再加入无水乙醇后磁力搅拌、过滤后干燥，即得到硼化锆ZrB2粉体。
进一步地，步骤(1)中，ZrO2粉和硼粉的摩尔比为3:10。
进一步地，步骤(1)中，KCl和NaCl的总质量为ZrO2粉和硼粉总质量的5～20倍，其中KCl和NaCl的摩尔比为1:1。
进一步地，步骤(1)中，所述ZrO2粉的纯度为99％，粒径为50～200nm。
进一步地，步骤(1)中，所述硼粉的纯度为99.9％，粒径为0.7～0.9μm，所述KCl和NaCl试剂纯度均为分析纯。
进一步地，步骤(1)中，手动研磨时间为10～30min。
进一步地，步骤(2)中，管式炉升温速率为5～10℃/min，保温温度为1000～1050℃，保温时间为1～3h，通入Ar气的流量为100～300sccm。
进一步地，步骤(3)中，所述去离子水的温度为80～100℃，磁力搅拌时间为1～2h，干燥箱温度为40～80℃，干燥时间为2～5h。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明方法合成温度低、工艺简单、制备周期短、生产成本低，合成的片状ZrB2粉体纯度高，有利于大规模工业化生产；
(2)本发明方法通过调整熔盐的含量、合成温度以及保温时间可以有效控制合成ZrB2粉体的形貌和尺寸。
附图说明
图1为实施例2中合成的ZrB2粉体的XRD图谱。
图2为实施例2中合成的ZrB2粉体的SEM照片图。
具体实施方式
以下结合具体实施例及附图对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明的保护范围及实施方式不限于此。
本发明具体实施例中，采用的ZrO2粉纯度为99％，粒度为50～200nm；采用的硼粉纯度为99.9％，粒度为0.7～0.9μm；采用的KCl和NaCl试剂纯度均为分析纯。
实施例1
(1)分别称取2.00g的ZrO2粉、0.58g的硼粉、5.67g的KCl和7.23g的NaCl置于玛瑙研钵中并手动研磨10min使粉体混合均匀，将上述粉体转移至刚玉方舟中；
(2)将方舟放入管式炉中，对管式炉进行抽真空处理，抽真空10min后使真空压力表数值达到-0.1MPa，保真空10min，观察真空表指示是否变化，如无变化，说明系统密封完好，此过程重复三次。通入氩气Ar至常压，之后以5℃/min的升温速率将炉温从室温升至1000℃，保温1h；随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar气保护，Ar气的流量保持在100sccm；
(3)将得到的混合物在80℃的去离子水中洗涤后过滤并放入40℃的烘箱中干燥1h，往干燥后得到的粉体中加入无水乙醇并使用磁力搅拌器搅拌1h后过滤，反复上述过程四次，将最终过滤后的产物放在40℃的干燥箱中干燥2h得到目标产物。该条件下合成的ZrB2粉体为纯相，其中，大部分ZrB2粉体形貌为六方片状，长度为3～8μm，厚度为0.1～1μm；少量的为六方棱柱状，长度为2～5μm，厚度为1～2μm。
实施例2
(1)分别称取2.00g的ZrO2粉、0.58g的硼粉、18.45g的KCl和15.09g的NaCl置于玛瑙研钵中并手动研磨20min使粉体混合均匀，将上述粉转移至刚玉方舟中；
(2)将方舟放入管式炉中，对管式炉进行抽真空处理，抽真空10min后使真空压力表数值达到-0.1MPa，保真空10min，观察真空表指示是否变化，如无变化，说明系统密封完好，此过程重复三次。通入氩气Ar至常压，之后以8℃/min的升温速率将炉温从室温升至1025℃，保温2h；随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar气保护，Ar气的流量保持在200sccm；
(3)将得到的混合物在90℃的去离子水中洗涤后过滤并放入60℃的烘箱中干燥3h，往干燥后得到的粉体中加入无水乙醇并使用磁力搅拌器搅拌1.5h后过滤，反复上述过程四次，将最终过滤后的产物放在60℃的干燥箱中干燥4h得到目标产物。
图1为本实验实施例所制备ZrB2粉体的XRD图谱，该图谱表明，所制备ZrB2粉体为纯相，未含有其他杂质相。图2为本实验实例所制备ZrB2粉体的SEM照片，由图2可知，该条件下合成的ZrB2粉体为六方片状，长度为3～8μm，厚度为50～100nm。
实施例3
(1)分别称取2.00g的ZrO2粉、0.58g的硼粉、27.55g的KCl和22.45g的NaCl置于玛瑙研钵中并手动研磨30min使粉体混合均匀，将上述粉体转移至刚玉方舟中；
(2)将该方舟放入管式炉中，对管式炉进行抽真空处理，抽真空10min后使真空压力表数值达到-0.1MPa，保真空10min，观察真空表指示是否变化，如无变化，说明系统密封完好，此过程重复三次。通入Ar气至常压，之后以10℃/min的升温速率将炉温从室温升至1050℃，保温3h；随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar气保护，Ar气的流量保持在300sccm；
(3)将得到的混合物在100℃的去离子水中洗涤后过滤并放入80℃的烘箱中干燥5h，往干燥后得到的粉体中加入无水乙醇并使用磁力搅拌器搅拌2h后过滤，反复上述过程四次，将最终过滤后的产物放在80℃的干燥箱中干燥5h得到目标产物。该条件下合成的ZrB2粉体为纯相，形貌为六方片状，长度为3～8μm，厚度为100～500nm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种六方片状硼化锆粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取二氧化锆粉ZrO2、硼粉、氯化钾KCl、氯化钠NaCl置于玛瑙研钵中并手动研磨，然后将该混合粉体转移至刚玉方舟中；
(2)将方舟放入管式炉中，升温后再保温，随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通氩气Ar保护；
(3)将方舟取出并将方舟中的混合物先用去离子水洗涤、过滤后干燥，再加入无水乙醇后磁力搅拌、过滤后干燥，即得到硼化锆ZrB2粉体。
2.根据权利要求1所述的一种六方片状硼化锆粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，ZrO2粉和硼粉的摩尔比为3:10，KCl和NaCl的总质量为ZrO2和硼粉总质量的5～20倍，其中KCl和NaCl的摩尔比为1:1。
3.根据权利要求1所述的一种六方片状硼化锆粉体的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，ZrO2粉的纯度为99％，粒径为50～200nm；硼粉的纯度为99.9％，粒径为0.7～0.9μm；KCl和NaCl试剂纯度均为分析纯。
4.根据权利要求1所述的一种六方片状硼化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，手动研磨时间为10～30min。
5.根据权利要求1所述的一种六方片状硼化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，管式炉的升温速率为5～10℃/min，保温温度为1000～1050℃，保温时间为1～3h，通入Ar气的流量为100～300sccm。
6.根据权利要求1所述的一种六方片状硼化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述去离子水的温度为80～100℃，磁力搅拌时间为1～2h，干燥箱温度为40～80℃，干燥时间为2～5h。
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