CN109476481A - 用于制备氮化硼陶瓷粉末的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种方法，其包括：引导组分的混合物通过反应器中的热区，所述反应器配置为接受氮源，其中所述组分包括(1)前体材料，其包括：硼源；和碳源；和(2)与前体材料组合的足量支承剂；在热区中加热组分；和使前体材料与氮源碳热反应以形成氮化硼陶瓷材料。

Description

用于制备氮化硼陶瓷粉末的方法
相关申请的交叉引用
本申请为2016年7月26日提交的标题为“METHODS FOR MAKING BORON NITRIDECERAMIC POWDER(制备氮化硼陶瓷粉末的方法)”的美国申请序列号62/366,863的非临时申请并要求其优先权，该申请以引用方式全文并入本文。
技术领域
概括地说，本公开涉及制备陶瓷粉末的系统和方法。更具体而言，本公开涉及与前体混合物组合使用支承剂(例如，硬化化合物)来碳热制备氮化硼粉末，由此经由支承剂向前体混合物提供(1)结构支承和(2)气体渗透性中的至少之一，从而得到较高产率的氮化硼陶瓷粉末产物。
背景技术
通过碳热合成，可以制备各种硼化物、氮化物和/或碳化物陶瓷粉末。然后可将陶瓷粉末加工成最终的陶瓷产品，用于广泛的应用。
发明内容
概括地说，本公开涉及制备陶瓷粉末的系统和方法。
更具体而言，本公开涉及与前体混合物组合采用支承剂(例如，硬化化合物)以在前体混合物经由碳热还原反应进行化学转化以形成陶瓷粉末产物(例如，氮化硼)时向前体混合物提供结构支承和/或气体渗透性。
与无支承剂的相同碳热还原反应相比，使用支承剂将实现提高的碳热制备氮化硼产率(例如，几乎不产生、产生很少或不产生残留的碳和/或碳化硼)。
在一个方面，提供了一种方法，其包括：引导组分的混合物通过反应器中的热区，其中所述反应器配置为接受氮源，其中所述组分包括：前体材料，其包括：硼源；和碳源；和与前体材料组合的足量支承剂，其中所述支承剂配置为为前体材料提供结构支承并取得渗透性前体材料；在热区中加热组分至足以使前体材料与氮源碳热反应的温度；使前体材料与氮源碳热反应以形成氮化硼陶瓷材料。
在一些实施例中，前体材料在引导步骤中呈固体形式。
在一些实施例中，反应器为碳热反应器。
在一些实施例中，通过反应步骤中支承剂的存在，氮化硼陶瓷材料配置为具有窄的粒度分布。
在一些实施例中，通过反应步骤中支承剂的存在，氮化硼陶瓷材料配置为具有大致均匀的板状颗粒形状。
在一些实施例中，氮源选自：含氮气态材料、氮气、氨以及它们的组合。
在一些实施例中，碳源选自：炭黑、石墨、焦炭、碳树脂以及它们的组合。
在一些实施例中，支承剂选自：正磷酸三钙、氧化铝、氧化钙、氧化镁、磷灰石、羟基磷灰石以及它们的组合。
在一些实施例中，硼源选自：氧化硼、硼酸以及它们的组合。
在一些实施例中，所述方法包括在加热步骤和碳热反应步骤中的至少之一期间引导氮源通过组分的混合物。
在一些实施例中，氮源配置为：吹洗气和吹扫气中的至少之一。
在一些实施例中，所述方法包括在加热步骤和碳热反应步骤中的至少之一期间引导包含氮源和载气的气态混合物通过组分的混合物。
在一些实施例中，气态混合物配置为：吹洗气和吹扫气中的至少之一。
在一些实施例中，载气选自：氩气和氦气。
在一些实施例中，载气配置在氮源的分压下以促进前体材料与氮源的碳热反应而形成氮化硼陶瓷材料。
在一个方面，提供了一种方法，其包括：引导组分的混合物通过反应器中的热区，其中所述反应器配置为接受气态氮源，其中所述组分包括：多种前体材料，其包括：硼源；和碳源；和大于5重量％的非反应性支承剂，其中所述支承剂与前体材料混合在一起使得组分的混合物包含至少0.05至不大于0.5的气体通道面积分数；在热区中加热组分至足以使前体材料与氮源碳热反应的温度；使前体材料与氮源碳热反应以形成包含：氮化硼陶瓷材料和支承剂的反应后产物。
在一些实施例中，所述方法包括通过酸消化技术处理反应后产物以从氮化硼陶瓷材料移除支承剂。
在本公开的一个方面，提供了一种方法，其包括：引导组分的混合物通过反应器中的热区，其中所述反应器配置为接受气态氮源，其中所述组分包括：多种前体材料，其包括：包含硼酸和氧化硼中的至少之一的硼源；和碳源；和大于5重量％的非反应性支承剂，其中所述支承剂与前体材料混合在一起使得组分的混合物包含至少0.05至不大于0.5的气体通道面积分数；在热区中加热组分至足以使前体材料与氮源碳热反应的温度；使前体材料与氮源碳热反应以形成包含：氮化硼陶瓷材料和支承剂的反应后产物；和从反应后产物移除支承剂以提供纯化的氮化硼陶瓷材料。
在一些实施例中，移除步骤还包括：通过酸消化技术处理反应后产物以从氮化硼陶瓷材料移除支承剂。
在一些实施例中，酸消化技术包括采用选自：盐酸、硫酸、硝酸以及它们的组合的酸。
在一个方面，提供了一种方法，其包括：引导组分的混合物通过反应器中的热区，其中所述反应器配置为接受气态氮试剂，其中所述组分包括：前体材料，其包括：硼源；和碳源；和与前体材料组合并配置为为前体材料提供结构支承和取得渗透性前体混合物的足量支承剂；在热区中加热固体组分的混合物至足以使前体混合物与气态氮试剂碳热反应的温度，其中所述固体组分的混合物是气体渗透性的；使前体混合物与气态氮试剂碳热反应以形成氮化硼陶瓷材料。
在一些实施例中，所述方法另外和/或替代地包括为固体组分的组分。
在一些实施例中，所述方法另外和/或替代地包括为碳热反应器的反应器。
在一些实施例中，所述方法另外和/或替代地包含混合在一起的前体材料和支承材料。
在一些实施例中，所述方法另外和/或替代地包括配置为具有窄的粒度分布的所得氮化硼产物。
在一些实施例中，所述方法另外和/或替代地包括配置为具有大致均匀的板状颗粒形状的所得氮化硼产物。
在一些实施例中，所述方法另外和/或替代地包括支承剂，所述支承剂包含正磷酸三钙(即，TCP)、氧化钙、氧化铝、氧化镁、磷灰石、羟基磷灰石和/或它们的组合。
在一些实施例中，所述方法另外和/或替代地包括支承剂和/或填充材料，其配置为以与一种或多种前述材料相似的方式与B2O3反应。
在一些实施例中，所述方法另外和/或替代地包括(成形后)用酸性溶液洗涤/接触陶瓷材料(氮化硼)(即，在TCP、氧化钙、磷灰石、羟基磷灰石和/或它们的组合的情况下)。
在一些实施例中，所述方法另外和/或替代地包括(成形后)用酸性溶液洗涤/接触陶瓷材料(氮化硼)(即，在TCP、氧化钙、磷灰石、羟基磷灰石和/或它们的组合的情况下)。
在一些实施例中，洗涤/接触步骤另外和/或替代地包括从陶瓷材料消化杂质以移除杂质(例如，并提供纯化的氮化硼产物)。
在一些实施例中，支承剂另外和/或替代地配置为参与碳热反应。
在一些实施例中，支承剂另外和/或替代地配置为有助于前体材料碳热还原成氮化硼粉末。
在一些实施例中，支承剂另外和/或替代地配置为允许气态氮试剂进入组分(例如，固体组分)。
在一些实施例中，支承剂另外和/或替代地配置为允许气态副产物离开组分(例如，固体组分)。
在一些实施例中，硼源另外和/或替代地为氧化硼和/或硼酸。在一些实施例中，硼源为硼酸。在一些实施例中，硼源为氧化硼。在一些实施例中，硼源为硼酸和氧化硼(例如，混合在一起的混合物)。
在一些实施例中，碳源选自：炭黑、石墨、焦炭、碳树脂和/或它们的组合。
在一些实施例中，支承剂另外和/或替代地以大于5重量％的量存在。
在一些实施例中，氮源另外和/或替代地选自：氮气、氨以及它们的组合。
在一些实施例中，氮源与另一气体(例如，非反应性气体和/或不是碳热反应形成陶瓷产物的前体的气体)混合。与氮源混合/混合在一起的气体的一些非限制性例子包括：氩气、氦气以及它们的组合。在此实施例中，将所述气体与适当分压的氮源混合，使得氮源在化学计量上足以进行碳热反应，或者化学计量过量，但过量到浪费氮源/含氮气体的程度(例如远超过化学计量需求)。
在一些实施例中，氮源在整个反应过程中是变化的(例如，最开始是100％的氮源，然后与载气/非前体气体源混合至可变分压以促进反应而不大大超过氮源的化学计量需求，并随着试剂/前体向反应产物/陶瓷产物的完全转化，任选地渐减至100％的载气)。
在一些实施例中，所述气体另外和/或替代地配置为吹扫气。
在一些实施例中，所述气体另外和/或替代地配置为吹洗气。
可组合上文提到的各个发明方面来产生制备陶瓷粉末(氮化硼陶瓷粉末)的方法和系统。
本发明的这些及其他方面、优点和新特征将在随后的描述中部分地阐述，并且通过查阅以下描述和附图，这些及其他方面、优点和新特征对于本领域技术人员将是显而易见的，或者可通过实施本发明习得。
附图说明
图1的图描绘了根据本公开的一个或多个实施例产生氮化硼的三种不同碳热反应的热力学模型，示出了每个反应的吉布斯自由能(J)与温度(K)的关系。
图2A和2B示意了在相同的化学计量条件和反应条件下合成的两种氮化硼粉末的对比结果，其中图2A描绘了在没有支承剂的情况下反应的氮化硼粉末，图2B描绘了在根据本公开的一个或多个实施例将支承剂与前体混合物混合在一起(即，7重量％TCP填料)的情况下反应的氮化硼粉末。
图3描绘了根据本公开的各种实施例的实验结果的图，更具体地，描绘了碳热合成氮化硼的对比试验的反应产物碳水平(重量％)与前体碳水平(碳系数，化学计量水平)的关系，对比了无支承剂(无TCP)的试验与有TCP的试验(即，各试验添加有7重量％的TCP)。
图4描绘了根据本公开的一个或多个实施例的实验信息的替代表示，其描绘了与无支承剂/填充的前体材料的碳热还原相比，在具有支承剂的前体材料的碳热还原中可使用较低的合成温度。
图5A-5C描绘了对应于根据本公开的一个或多个实施例的实验的数据：在有支承剂/填料的情况下产生的氮化硼通常具有比用未填充的前体(不存在支承剂)产生的氮化硼粗的粒度。
图5A描绘了根据本公开的一个或多个实施例来自具有1.5C和7重量％TCP支承剂/填料的碳热反应的所得产物的高放大倍数SEM图像。
图5B描绘了来自具有1.5C而无填料/支承剂的碳热反应的所得产物的高放大倍数SEM图像，作为与本文公开的各种实施例的对比。
图5C描绘了一种市售氮化硼粉末的高放大倍数SEM图像，作为与本文公开的各种实施例的对比。
图6A-6B描绘了比较填充(支承剂)和未填充(无支承剂)方法(碳热反应)的两个高放大倍数SEM图像的实验数据，6A包括1.5C和7重量％TCP支承剂/填料，而图6B包括1.5C而无支承剂/填料。
图7A-7C描绘了实验数据：反应后氮化硼陶瓷粉末产物(与支承剂混合在一起)的照片及描绘5重量％、7重量％和9重量％羟基磷灰石/TCP情况下的产物碳含量(重量％)对添加剂填料水平(重量％)的实验数据图。
图7A描绘了与支承剂：5重量％TCP混合在一起的情况下的反应后陶瓷粉末产物，反应后的陶瓷粉末体积有一些视觉上可观察到的变形(与前体颗粒的体积相比)。
图7B描绘了与支承剂：9重量％TCP混合在一起的情况下的反应后陶瓷粉末产物，其描绘了反应后的氮化硼粉末，反应后的陶瓷粉末体积视觉上可观察到的变形(与前体颗粒的体积相比)非常小。
如图7C中所描绘，对于所有受试填料水平，碳水平均低，但存在产物碳随填料水平下降的趋势。如图7C中所示，在绘制的三个数据点中，在添加7重量％的TCP作为支承剂的前提下，使用最低量的填料获得最低的碳水平与最小的量的视觉上可观察到的变形。如图7C的图所描绘，不受任何机理或理论的束缚，大于5重量％TCP的填料水平作为支承剂据信将优化颗粒孔隙率并减少氮化硼陶瓷粉末产物合成过程中的变形程度。
具体实施方式
现将详细参考附图，这些附图至少有助于说明本发明的各种相关实施例。
本发明将进一步参照附图进行解释，其中在若干个视图中，相同元件符号表示相同结构。所绘图不一定按比例绘制，相反，重点一般放在说明本发明的原理上。另外，某些特点可以放大以描绘出特定组件的细节。
附图构成本说明书的一部分且包括本发明的说明性实施例且说明其多个目标和特点。另外，附图不一定按比例绘制，某些特点可以放大以描绘特定组件的细节。另外，图中所示的任何测量值、规格及其类似方面希望具有说明性，而非限制性。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应理解为具限制性，而仅仅作为一个代表性基础用于传授所属领域的技术人员以不同方式利用本发明。
在已经公开的那些效益和改良中，根据以下描述，结合附图将明显易知本发明的其他目标和优点。本文中公开了本发明的详细实施例；然而应了解，所公开的实施例仅仅是说明本发明可以多种形式实施。另外，每个实例结合旨在说明而非限制的本发明各种实施例给出。
在整个说明书和限定的实施例中，除非上下文另有明确规定，否则以下术语取本文明确相关的含义。如本文所用，表述“在一个实施例中”和“在一些实施例中”不一定指同一个或同一些实施例，虽然其可指同一个或同一些实施例。此外，如本文所用，表述“在另一个实施例中”和“在一些其他实施例中”不一定指不同的实施例，虽然其可指不同的实施例。因此，如下文所述，可以容易地将本发明的各种实施例组合，而不偏离本发明的范围或精神。
另外，除非上下文另外明确规定，否则如本文所用，术语“或”是一种包括性的“或”运算符，且相当于术语“和/或”。除非上下文另外明确规定，否则术语“基于”不具有排它性且允许基于未描述的其它因素。另外，在通篇说明书中，“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”的含义包括多个提及物。“在……中”的含义包括“在……中”和“在……上”。
图1的图描绘了以方程式1-3标记的三个产生氮化硼的不同反应的热力学模型。图1的曲线描绘了每个反应的吉布斯自由能(J)与温度(K)的关系。
形成氮化硼的碳热还原(B2O3+3C+N2＝2BN+3CO)具有的吉布斯自由能指示在1048℃下引发。其他两个反应：CaB4O7+6C+2N2＝4BN+CaO+6CO和CaB2O4+3C+N2＝2BN+CaO+3CO描绘了提供氮化硼产物的碳热还原条件(即参与氮化硼粉末的化学合成)过程中支承剂中间体反应(即由支承剂和氧化硼形成的化合物)的两个实例。
第二个反应CaB4O7+6C+2N2＝4BN+CaO+6CO在1206℃下引发，而第三个反应CaB2O4+3C+N2＝2BN+CaO+3CO具有1386℃的引发温度。所描绘的第二和第三个反应是在包含基于磷酸钙的填料(Ca3(PO4)2(TCP)和/或Ca5(PO4)3OH(羟基磷灰石，HA))的反应方法过程中由原始支承剂形成的含硼中间体的分解。
不受任何机理或理论的束缚，据信这些支承剂将在合成过程中分解并与B2O3反应形成硼酸钙。然后，和第一个所列反应一样，形成的硼酸盐也与碳和氮反应形成氮化硼。如反应中所示，据信剩余的支承剂将转化为氧化钙(例如，经由酸消化移除)。随着CaO的形成，氧化钙在BN合成温度(1400℃-1600℃)下在还原气氛中是稳定的，从而为相邻的前体材料提供支承结构。
另外，如图1所示，CaO在比氮化硼合成高得多的温度下形成硼化物。在此实施例中，反应的支承剂(即，CaO)由参与碳热反应的支承剂形成，使得在前体混合物经历从前体混合物(和支承剂)到陶瓷材料(BN粉末)和反应的支承剂的化学转化时反应的支承剂保留在(存在于)前体混合物中。
因此，支承剂特别设计和/或配置为在整个化学转化过程中为前体混合物和/或所得陶瓷材料提供结构支承，同时参与合成以形成陶瓷材料(例如，BN粉末)。因此，支承剂配置为具有支承功能，其中前体混合物在加热时不会显著变形，从而允许气体流过反应材料的粒间孔隙和粒内孔隙。
图2A和2B示意了在相同的化学计量条件和反应条件下合成的两种氮化硼粉末，其中2A描绘了在没有支承剂的情况下反应的氮化硼粉末，2B描绘了在将支承剂与前体混合物混合在一起(即7重量％TCP填料)的情况下反应的氮化硼粉末。
与在有支承剂的情况下碳热产生的陶瓷粉末形成鲜明对比的是，在没有支承剂的情况下得到的陶瓷粉末是变形的整块形式，其包括大量未反应的前体混合物、大的含量的碳化硼和氮化硼。图2B描绘的氮化硼粉末在反应后陶瓷材料中包括可见的粒间孔隙/孔隙率，表明支承剂在整个碳热反应中保持了气体和热渗透条件。图2B的氮化硼粉末描绘了完全反应的前体和低至零含量的未反应碳和/或碳化硼副产物。
更具体地，图2A描绘了显著变形的陶瓷材料(例如，加热到前体混合物的反应温度时的变形)，而图2B保持了前体中的粒间和粒内孔隙，使得在反应后的粉末中易于观察到可渗透的形式。由于两个试验具有相同重量的前体，故体积变化是由于熔化(即，前体混合物的熔合)。
另外，随着碳的完全反应或接近完全反应，据信与在没有支承剂的情况下的碳热还原相比，在有支承剂的情况下可使用较高的前体碳水平，从而导致较高/改善的BN生产率。另外，从图1和图2B观察到，与没有支承剂的情况下的碳热还原相比，在有支承剂的情况下，需要较低的反应器温度来使反应器中的材料完全反应。
图3描绘了碳热合成氮化硼的对比试验的反应产物碳水平(重量％)与前体碳水平(碳系数，化学计量水平)的关系，对比了无支承剂(无TCP)的试验与有TCP的试验(即，各试验添加有7重量％的TCP)。如
图3所描绘，低的产物碳水平是高反应效率的关键指标，并且碳是这些氮化硼前体中的限制性试剂。
如图3中所示，在存在支承剂/填料的情况下，对于试剂中碳前体的量的所有变化，前体的碳水平均降低至接近零水平。相比之下，对于无TCP填料的试验，产物碳水平要高得多，据信这表明产物为复合产物(即，与未反应的碳和/或碳化硼混合在一起的氮化硼)。因此，图3表明支承剂/填充材料允许增加前体中的碳水平，同时保持低的产物碳水平。
图4描绘了数据的替代表示，其示出与无支承剂/填充的前体材料的碳热还原相比，在具有支承剂的前体材料的碳热还原中可使用较低的合成温度。
图5A-5C描绘了在有支承剂/填料的情况下产生的氮化硼具有比用未填充的前体(不存在支承剂)产生的氮化硼粗的粒度。图5A描绘了具有1.5C和7重量％TCP支承剂/填料的碳热反应。图5B描绘了具有1.5C而无填料的碳热反应。图5C描绘了一种市售的氮化硼粉末。
图6A-6B描绘了比较填充和未填充方法的两个高放大倍数图像，6A包括1.5C和7重量％TCP支承剂/填料，而图6B包括1.5C而无支承剂/填料。
图7A-7C描绘了反应后氮化硼陶瓷粉末产物的照片及描绘5重量％、7重量％和9重量％羟基磷灰石/TCP情况下的产物碳(重量％)对添加剂填料水平(重量％)的图。图7A描绘了5重量％TCP的情况，反应后的陶瓷粉末体积有一些视觉上可观察到的变形(与前体颗粒的体积相比)。
图7B描绘了9重量％TCP的情况，描绘了反应后的氮化硼粉末，反应后的陶瓷粉末体积视觉上可观察到的变形(与前体颗粒的体积相比)非常小。
如图7C中所描绘，大于5重量％TCP的填料水平作为支承剂据信将优化颗粒孔隙率并减少合成过程中的变形程度。如图7C中所描绘，对于所有受试填料水平，碳水平均低，但存在产物碳随填料水平下降的趋势。如图7C中所示，在绘制的三个数据点中，在添加7重量％的TCP作为支承剂的前提下，使用最低量的填料获得最低的碳水平与最小的量的视觉上可观察到的变形。
作为非限制性例子，制备氮化硼的方法包括(另外和/或替代地，以下步骤)：混合前体材料，使前体材料脱水，使前体混合物反应(碳热反应)形成氮化硼粉末，将反应器材料(陶瓷产物，包括氮化硼粉末和反应了的支承剂)粉碎成粉末(即，碎饼)，在溶剂中消化陶瓷材料以移除反应了的支承剂(即，针对基于Ca的支承剂/填料，使用盐酸；针对基于氧化铝或氧化镁的支承剂/填料，使用碱性溶剂(例如，NaOH))，过滤含有溶解的支承剂的溶剂以从溶解的支承剂/填料溶液分离陶瓷粉末产物(氮化硼)，干燥滤液(含有氮化硼粉末)，和使粉末解聚以将粉末配置为微粒形式。
在一些实施例中，支承剂以以下重量百分数(基于固体组分的总重量计)存在：至少1重量％；至少2重量％；至少3重量％；至少4重量％；至少5重量％；至少6重量％；至少7重量％；至少8重量％；至少9重量％；至少10重量％；至少11重量％；至少12重量％；至少13重量％；至少14重量％；至少15重量％；至少16重量％；至少17重量％；至少18重量％；至少19重量％；或至少20重量％。
在一些实施例中，支承剂以以下重量百分数(基于固体组分的总重量计)存在：不大于1重量％；不大于2重量％；不大于3重量％；不大于4重量％；不大于5wt.％:不大于6重量％；不大于7重量％；不大于8重量％；不大于9重量％；不大于10重量％；不大于11重量％；不大于12重量％；不大于13重量％；不大于14重量％；不大于15重量％；不大于16重量％；不大于17重量％；不大于18重量％；不大于19重量％；或不大于20重量％。
在一些实施例中，支承剂(TCP)以大于5重量％存在于固体组分中。
在一些实施例中，支承剂(TCP)以7重量％存在于固体组分中。
在一些实施例中，支承剂(TCP)以9重量％存在于固体组分中。
在一些实施例中，支承剂(TCP)以10重量％存在于固体组分中。
在一些实施例中，支承剂(TCP)以13重量％存在于固体组分中。
在一些实施例中，支承剂(TCP)以15重量％存在于固体组分中。
在一些实施例中，固体组分配置为具有(a)至少一个气体通道和(b)至少一部分固体组分中的大孔隙(例如，其中大孔隙是指足够大小的空隙以允许气体渗透通过固体组分)。
在一些实施例中，当观察横跨反应室的横截面积时，固体组分配置为占据至少0.5面积分数；至少0.55面积分数；至少0.6面积分数；至少0.65面积分数；至少0.7面积分数；至少0.75面积分数；至少0.8面积分数；至少0.85面积分数；至少0.9面积分数；或至少0.95面积分数。
在一些实施例中，当观察横跨反应室的横截面积时，固体组分配置为占据不大于0.5面积分数；不大于0.55面积分数；不大于0.6面积分数；不大于0.65面积分数；不大于0.7面积分数；不大于0.75面积分数；不大于0.8面积分数；不大于0.85面积分数；不大于0.9面积分数；或不大于0.95面积分数。
在一些实施例中，固体组分配置为占据横跨反应室所取横截面积的0.5面积分数至不大于0.95面积分数。在一些实施例中，固体组分配置为占据横跨反应室所取横截面积的0.6面积分数至不大于0.9面积分数。在一些实施例中，固体组分配置为占据横跨反应室所取横截面积的0.75面积分数至不大于0.85面积分数。
在一些实施例中，固体组分由多个颗粒构成。在一些实施例中，固体组分配置为具有粒间孔隙率，其在单一固体组分的颗粒之间测量。
在一些实施例中，当观察横跨反应室的横截面积时，粒间孔隙率配置为占据至少0.1面积分数；至少0.2面积分数；至少0.3面积分数；至少0.4面积分数；至少0.5面积分数；至少0.6面积分数；至少0.7面积分数；或至少0.8面积分数。
在一些实施例中，当观察横跨反应室的横截面积时，粒间孔隙率配置为占据不大于0.1面积分数；不大于0.2面积分数；不大于0.3面积分数；不大于0.4面积分数；不大于0.5面积分数；不大于0.6面积分数；不大于0.7面积分数；或不大于0.8面积分数。
在一些实施例中，粒间孔隙率配置为占据横跨反应室所取横截面积的0.1面积分数至不大于0.8面积分数。在一些实施例中，固体组分配置为占据横跨反应室所取横截面积的0.2面积分数至不大于0.7面积分数。在一些实施例中，固体组分配置为占据横跨反应室所取横截面积的0.3面积分数至不大于0.6面积分数。
在一些实施例中，固体组分配置为具有粒内孔隙率，其在单一颗粒内测量(例如，前体混合物/试剂之间的孔隙率)。
在一些实施例中，存在粒间孔隙率而不存在粒内孔隙率(0面积分数)。
在一些实施例中，当观察横跨反应室的横截面积时，粒内孔隙率配置为占据至少0.01面积分数；至少0.05面积分数；至少0.1面积分数；至少0.2面积分数；至少0.3面积分数；至少0.4面积分数；至少0.5面积分数；或至少0.6面积分数。
在一些实施例中，当观察横跨反应室的横截面积时，粒内孔隙率配置为占据不大于0.01面积分数；不大于0.05面积分数；不大于0.1面积分数；不大于0.2面积分数；不大于0.3面积分数；不大于0.4面积分数；不大于0.5面积分数；或不大于0.6面积分数。
在一些实施例中，粒间孔隙率配置为占据横跨反应室所取横截面积的0.01面积分数至不大于0.6面积分数。在一些实施例中，固体组分配置为占据横跨反应室所取横截面积的0.1面积分数至不大于0.5面积分数。在一些实施例中，固体组分配置为占据横跨反应室所取横截面积的0.2面积分数至不大于0.5面积分数。在一些实施例中，固体组分配置为占据横跨反应室所取横截面积的0.3面积分数至不大于0.4面积分数。
在一些实施例中，固体组分配置为具有至少一个气体通道。
如本文所用，“气体通道”是指在反应室的横截面积中未被固体组分(和/或容器，如果采用了容器的话)占据的开放空间/体积。在一些实施例中，气体通道配置在平行于通过固体组分的气流的方向上。
在一些实施例中，当观察横跨反应室的横截面积时，气体通道配置为占据至少0.05面积分数；至少0.1面积分数；至少0.15面积分数；至少0.2面积分数；至少0.25面积分数；至少0.3面积分数；至少0.35面积分数；至少0.4面积分数；至少0.45面积分数；至少0.5面积分数。
在一些实施例中，当观察横跨反应室的横截面积时，气体通道配置为占据不大于0.05面积分数；不大于0.1面积分数；不大于0.15面积分数；不大于0.2面积分数；不大于0.25面积分数；不大于0.3面积分数；不大于0.35面积分数；不大于0.4面积分数；不大于0.45面积分数；不大于0.5面积分数。
在一些实施例中，气体通道配置为占据横跨反应器中所配置固体组分所取横截面积的0.5面积分数至不大于0.05面积分数。在一些实施例中，气体通道配置为占据横跨反应室中所配置固体组分所取横截面积的0.3面积分数至不大于0.1面积分数。在一些实施例中，气体通道配置为占据横跨反应室中所配置固体组分所取横截面积的0.4面积分数至不大于0.2面积分数。在一些实施例中，气体通道配置为占据横跨反应室中所配置固体组分所取横截面积的0.4面积分数至不大于0.1面积分数。
成形后处理(例如，陶瓷材料纯化)的实例：
在反应完成后，可完成成形后处理以纯化陶瓷粉末产物(例如，氮化硼陶瓷材料)和/或从氮化硼移除支承材料/填料。
从反应器取出反应后材料(含陶瓷粉末产物和支承剂/填料)并通过碎饼工艺处理(例如，粉碎以使反应后的饼材料破碎)。接下来，通过酸消化处理经粉碎的材料以从陶瓷粉末产物移除支承剂。
在一些实施例中，将经粉碎的反应后材料分散在酸溶液中以溶解支承剂并促进陶瓷粉末产物(固体)与支承剂的物理分离(通过将支承剂从固相引导到液相/溶液相中)。接下来，通过过滤/分离工艺(例如，抽滤、压力/气体过滤技术)从滤液过滤溶质。然后可干燥经纯化的氮化硼陶瓷粉末产物以移除过量的水分。
虽然已详细描述了本发明的各种实施例，但显而易见，本领域技术人员会想到这些实施例的变型和修改。然而，应明确地理解，这些变型和修改都在本发明的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种方法，所述方法包括：
引导组分的混合物通过反应器中的热区，其中所述反应器配置为接受氮源，其中所述组分包括：
(1)前体材料，所述前体材料包括：
硼源；和
碳源；和
(2)与所述前体材料组合的足量支承剂，其中所述支承剂配置为为所述前体材料提供结构支承并取得渗透性前体材料；
在所述热区中加热所述组分至足以使所述前体材料与所述氮源碳热反应的温度；
使所述前体材料与所述氮源碳热反应以形成氮化硼陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述前体材料在所述引导步骤中呈固体形式。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述反应器为碳热反应器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述反应步骤中所述支承剂的存在，所述氮化硼陶瓷材料配置为具有窄的粒度分布。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述反应步骤中所述支承剂的存在，所述氮化硼陶瓷材料配置为具有大致均匀的板状颗粒形状。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述氮源选自：含氮气态材料、氮气、氨以及它们的组合。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳源选自：炭黑、石墨、焦炭、碳树脂以及它们的组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述支承剂选自：正磷酸三钙、氧化铝、氧化钙、氧化镁、磷灰石、羟基磷灰石以及它们的组合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述硼源选自：氧化硼、硼酸以及它们的组合。
10.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在所述加热步骤和所述碳热反应步骤中的至少之一期间引导氮源通过所述组分的混合物。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述氮源配置为：吹洗气和吹扫气中的至少之一。
12.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：
在所述加热步骤和所述碳热反应步骤中的至少之一期间引导包含所述氮源和载气的气态混合物通过所述组分的混合物。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述气态混合物配置为：吹洗气和吹扫气中的至少之一。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述载气选自：氩气和氦气。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述载气配置在所述氮源的分压下以促进所述前体材料与所述氮源的碳热反应而形成所述氮化硼陶瓷材料。
16.一种方法，所述方法包括：
引导组分的混合物通过反应器中的热区，其中所述反应器配置为接受气态氮源，其中所述组分包括：
(a)多种前体材料，所述多种前体材料包括：
硼源；和
碳源；和
(b)大于5重量％的非反应性支承剂，其中所述支承剂与所述前体材料混合在一起使得所述组分的混合物包含至少0.05至不大于0.5的气体通道面积分数；
在所述热区中加热所述组分至足以使所述前体材料与所述氮源碳热反应的温度；
使所述前体材料与所述氮源碳热反应以形成包含氮化硼陶瓷材料和所述支承剂的反应后产物。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括：
通过酸消化技术处理所述反应后产物以从所述氮化硼陶瓷材料移除所述支承剂。
18.一种方法，所述方法包括：
引导组分的混合物通过反应器中的热区，其中所述反应器配置为接受气态氮源，其中所述组分包括：
(a)多种前体材料，所述多种前体材料包括：
包括硼酸和氧化硼中的至少之一的硼源；和
碳源；和
(b)大于5重量％的非反应性支承剂，其中所述支承剂与所述前体材料混合在一起使得所述组分的混合物包含至少0.05至不大于0.5的气体通道面积分数；
在所述热区中加热所述组分至足以使所述前体材料与所述氮源碳热反应的温度；
使所述前体材料与所述氮源碳热反应以形成包含氮化硼陶瓷材料和所述支承剂的反应后产物；和
从所述反应后产物移除所述支承剂以提供纯化的氮化硼陶瓷材料。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述移除步骤还包括：通过酸消化技术处理所述反应后产物以从所述氮化硼陶瓷材料移除所述支承剂。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述酸消化技术包括选自盐酸、硫酸、硝酸以及它们的组合的酸。
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