CN110041079B - 十二硼化锆陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含有十二硼化锆陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：1）按照体积分数，将40~70%的氮化硼粉末、10~30%的二硼化锆粉末、10~30%氮化锆粉、0~60%的氧化硼粉末混合均匀，得到原料；2）将原料置于球磨机中，球磨至粒径小于20μm得到混合粉料；3）将粉料置于模具中，采用冷压的方式使其变为块状坯料，压力为10‑80MPa，保压1‑8分钟；4）加热坯料后降温即得所述含有十二硼化锆的陶瓷材料。该制备方法简单，降低了原料成本，适宜大规模生产制备。

Description

十二硼化锆陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明属于高温结构功能一体化陶瓷材料技术领域，涉及一种十二硼化锆陶瓷材料的制备方法。
背景技术
在Zr-B体系化合物的研究中，ZrB2（二硼化锆）是研究最多的一种过渡金属硼化物，由于其出色的物理性能而受到广泛关注。ZrB2具有高化学稳定性、高熔点、高硬度和良好的导热导电性能。并且ZrB2的晶体结构极其的稳定，理论研究表明ZrB2在300 GPa 的高压条件下不会发生结构相变和非晶化[1]。与ZrB2相比，ZrB12（十二硼化锆）具有更高的硼含量，并且ZrB12的 B-B键构成了三维空间网状结构，理论预测ZrB12比ZrB2具有更好的力学性质[2-3]。
目前十二硼化锆的制备方法[4]主要有：
1）高温高压法合成ZrB12：以硼粉和锆粉制备的前驱物分别放在二级压机和六面顶压机中，通过高温高压制备出含有十二硼化锆的样品；
2）电弧熔炼法制ZrB12：以硼粉和锆粉为原料，冷压成型，将压好的样品放入电弧炉中，然后进行抽真空操作，抽真空时间约为 15 min-25 min 之间，保证真空度在 2.0×10-3Pa以下。调整电弧输出能量，使弧间温度约为 3000℃左右。冷却，取出含有十二硼化锆的样品。
参考文献
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[4] 马腾等，硼锆化合物的制备与物性表征，吉林大学，2016，5。
发明内容
为了降低合成十二硼化锆陶瓷材料制备工艺成本，简化生产工艺，拓宽该技术的应用领域，本发明提供了一种高效便捷的方法，该方法以氮化硼、二硼化锆和硼酸等为原料，制备的环境无高压的需求，安全性高，可大量制备出含有十二硼化锆的陶瓷材料。
为此本发明的技术方案如下：
一种十二硼化锆的制备方法，包括如下步骤：
1）按照体积分数，将40~70%的氮化硼粉末、10~30%的二硼化锆粉末、10~30%氮化锆粉、0~60%的氧化硼粉末混合均匀，得到原料；
2）将所述原料置于球磨机中对其进行球磨，待其混合均匀后，干燥，得到粒径小于20μm的混合粉料；
3）将上述粉料置于模具中，采用冷压的方式使其变为坯料，压力为10-80MPa，保压1-8分钟；
4）将上述坯料置于加热炉内，真空度为200~10Pa，以5~15℃/min的速率升温到1800-2100℃，保温1-6h后降温冷却，即得所述的含有十二硼化锆的陶瓷材料。
优选，所述氮化硼粉末、二硼化锆粉末、氮化锆粉末、氧化硼粉末的粒径均小于40μm。
优选，步骤4）升温过程分为三步，第一步以10~15℃/min的速率由室温升温到1200~1400℃，第二步以6~10℃/min的速率升温到1500~1700℃，第三步以5~8℃/min的速率升温到1800~2100℃。
优选，步骤3）制备坯料的方法为冷压成型，其包括冷等静压成型，模压成型等。
优选，所述氧化硼粉末由硼酸粉末经加热脱水获得。
本发明利用氮化硼、高二硼化锆和硼酸为原料，通过冷压成型在2100℃以下制备十二硼化锆陶瓷材料，相比于其现有的制备工艺，本发明提供的制备工艺简单，原料成本低，安全性高，易于控制，可用于规模化制备。
附图说明
图1~3分别对应实施例2~4制备陶瓷材料物相组成的的X射线衍射分析图谱，由图可知：材料中含有十二硼化锆、二硼化锆和少量的碳化硼。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明制备十二硼化锆的方法进行详细描述。
实施例1
一种合成十二硼化锆材料的制备方法，包括如下步骤：
1）按照体积分数，将85 Vol% 氮化硼和15 Vol%二硼化锆粉末混合均匀，得到原料；
2）将所述原料置于球磨机中，按照原料与氧化锆球质量比为1:3加入氧化锆球，湿法球磨2h后烘干，得到粒径小于20μm的混合粉料；
3）将粉料放入模具中，加压成型，压力为25MPa，保压3分钟，脱模后得到坯料；
4）将所述坯料置于加热炉内， 煅烧制度为：以10℃/min的升温速率从室温升温至500 ℃；再以7℃/min的升温速率升温至1400 ℃；然后以5℃/min的升温速率升温至2000℃；保温180min；随炉冷却；即得含有十二硼化锆的陶瓷材料。
实施例2
一种合成十二硼化锆材料的制备方法，包括如下步骤：
1）按照物质的量之比，将氮化硼和二硼化锆物质的量之比为12:1的粉末混合均匀，得到原料；
2）将所述原料置于球磨机中，按照原料与氧化锆球质量比为1:3加入氧化锆球，湿法球磨2 h后烘干，得到粒径小于20μm的混合粉料；
3）将粉料置入橡胶模具中，在80MPa冷等静压下成型，脱模后得到坯料；
4）将所述坯料置于真空加热炉内， 煅烧制度为：以10℃/min的升温速率从室温升温至500 ℃；再以7℃/min的升温速率升温至1400 ℃；然后以5℃/min的升温速率升温至2000℃；保温180min；随炉冷却；即得含有体积分数约为80%十二硼化锆的陶瓷材料。
实施例3
一种合成十二硼化锆材料的制备方法，包括如下步骤：
1）按照体积分数，将89 Vol% 氮化硼和11 Vol%二硼化锆粉末混合均匀，得到原料；
2）将所述原料置于球磨机中，按照原料与氧化锆球质量比为1:3加入氧化锆球，湿法球磨2.5h后烘干，得到粒径小于20μm的混合粉料；
3）将粉料置入橡胶模具中，在80MPa冷等静压下成型，脱模后得到坯料；
4）将所述坯料置于真空加热炉内， 煅烧制度为：以10℃/min的升温速率从室温升温至500 ℃；再以7℃/min的升温速率升温至1400 ℃；然后以5℃/min的升温速率升温至2000℃；保温180min；随炉冷却；即得含有体积分数约为75%十二硼化锆的陶瓷材料。
实施例4
一种合成十二硼化锆材料的制备方法，包括如下步骤：
1）按照体积分数，将90 Vol% 氮化硼和10 Vol%二硼化锆粉末混合均匀，得到原料；
2）将原料置于球磨机中，按照原料与氧化锆球质量比为1:3加入氧化锆球，湿法球磨2.5h后烘干，得到粒径小于20μm的混合粉料；
3）将粉料置入橡胶模具中，在80MPa冷等静压下成型，脱模后得到坯料；
4）将所述坯料置于真空加热炉内， 煅烧制度为：以10℃/min的升温速率从室温升温至500 ℃；再以7℃/min的升温速率升温至1400 ℃；然后以5℃/min的升温速率升温至2000℃；保温180min；随炉冷却；即得含有体积分数约为70%十二硼化锆的陶瓷材料。
实施例5
一种合成十二硼化锆材料的制备方法，包括如下步骤：
1）按照体积分数，将85 Vol% 硼粉和15 Vol%氮化锆粉末混合均匀，得到原料；
2）将所述原料置于球磨机中，按照原料与氧化锆球质量比为1:3加入氧化锆球，湿法球磨2.5h后烘干，得到粒径小于20μm的混合粉料；
3）将粉料置入橡胶模具中，在80MPa冷等静压下成型，脱模后得到坯料；
4）将所述坯料置于真空加热炉内， 煅烧制度为：以10℃/min的升温速率从室温升温至500 ℃；再以7℃/min的升温速率升温至1400 ℃；然后以5℃/min的升温速率升温至2000℃；保温180min；随炉冷却；即得含有十二硼化锆的陶瓷材料。

Claims (1)

1.一种十二硼化锆陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）按照物质的量之比，将氮化硼和二硼化锆物质的量之比为12:1的粉末混合均匀，得到原料；
2）将所述原料置于球磨机中，按照原料与氧化锆球质量比为1:3加入氧化锆球，湿法球磨2 h后烘干，得到粒径小于20μm的混合粉料；
3）将粉料置入橡胶模具中，在80MPa冷等静压下成型，脱模后得到坯料；
4）将所述坯料置于真空加热炉内， 煅烧制度为：以10℃/min的升温速率从室温升温至500 ℃；再以7℃/min的升温速率升温至1400 ℃；然后以5℃/min的升温速率升温至2000℃；保温180min；随炉冷却；即得含有十二硼化锆体积分数约为80%的陶瓷材料。
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