CN1699168A - 二硼化锆微粉的燃烧合成方法 - Google Patents

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Abstract

二硼化锆微粉的燃烧合成方法,它涉及一种二硼化锆微粉材料的合成工艺。本发明的目的是为解决已有技术存在的需要高温高热、耗能大、生产周期长,效率低,纯度不高的问题。本发明将基础原料和稀释剂进行配料,基础原料按重量百分比为:二氧化锆:31%~58%、硼酐:0%~25%、镁粉:25%~44%,稀释剂为二硼化锆;在高温真空条件下干燥600~1200分钟,再将混合物机械球磨混合1200~1500分钟;将混合的粉末装入密闭压力容器中,反应器采用循环水冷却,充入保护气氛,点火使之发生自蔓延反应;冷却后将产物在盐酸溶液中酸洗去除氧化镁,剩余的二硼化锆经水洗、过滤、干燥后,得到最终产品。本发明具有反应速度快、节约能源、成本低、效率高、产品纯度高的优点。

Description

二硼化锆微粉的燃烧合成方法
技术领域
:本发明涉及一种二硼化锆微粉材料的合成工艺。
背景技术
:制备二硼化锆(ZrB2)粉末的方法主要有:直接合成法:金属和硼在保护气氛或真空中高温反应:。该方法合成粉末纯度高,但原料很贵,同时需要高温环境,能耗高;碳热还原法:该方法采用二氧化锆(ZrO2)、硼酐(B2O3)、碳黑为原料,在高温炉中长时间反应。。该工艺原料成本低,主要缺点在于能耗高、生产周期长,工艺成本高;电解含锆金属氧化物和B2O3的熔融盐浴,这个方法制备得到的产物纯度不高,高温下硼酐极容易汽化,更因为两者熔解都需要较高的温度,所以会消耗大量的能量,还要防止它们在此过程中会烧结,而且此方法比较容易引入杂质;燃烧合成法:该方法利用原料化学反应放出来的热量来进行材料合成与制备,以锆粉(Zr)、硼酐(B2O3)、镁粉(Mg)为原料,,采用燃烧合成方法合成了ZrB2粉末,纯度为94.6%。元素法燃烧合成利用如下反应:,与直接合成法类似,虽然能耗较直接合成法大幅降低,但原料依然昂贵,且Zr过于活泼,原料的准备与合成过程存在一定的危险性,利用采用氢化锆(或氢化钛)和单质硼作原料,经球磨混合、压坯后,须抽真空预热、保温、再充氩气点火反应,将反应物进行球磨,获得二硼化锆或二硼化钛超细粉末,原料比较贵,以二氧化锆(ZrO2)、硼酐(B2O3)、铝粉(Al)为原料,利用反应:,获得了ZrB2与Al2O3复合粉末,由于Al2O3很难去除,所以不能获得ZrB2粉末。
发明内容
:本发明的目的是为解决已有技术存在的需要高温高热、耗能大、生产周期长,效率低,纯度不高的问题,提供一种二硼化锆微粉的燃烧合成方法。本发明具有反应速度快、合成时间短、节约大量能源、成本低、生产效率高、产物纯度高的特点。本发明的方法是按以下步骤实现的:一、将基础原料和稀释剂进行配料,基础原料包含二氧化锆、硼酐和镁粉,按重量百分比为:二氧化锆(ZrO2):31%~58%、硼酐(B2O3):0%~25%、镁粉(Mg):25%~44%、稀释剂为二硼化锆,加入的稀释剂重量为基础原料的0~2.3倍;二、在80~150℃真空条件下干燥600~1200分钟,将基础原料和稀释剂的混合物装入混料罐,机械球磨混合1200~1500分钟;三、将混合均匀的粉末装入石墨舟,然后放入密闭压力容器中,反应器采用循环水冷却,充入保护气氛的压强为0~2Mpa,点火使之发生自蔓延反应,点火采用Ni-Cr丝,点火剂为粒度小于300目纯Ti粉与碳黑的混合物;四、冷却后取出产物,产物为二硼化锆和氧化镁的混合物,产物在盐酸溶液中酸洗去除氧化镁,剩余的二硼化锆经水洗、过滤、干燥后,得到本发明的产品。本发明的有益效果是:采用还原法燃烧合成工艺,制备出低成本、高纯度的亚微米级球形二硼化锆粉末。二硼化锆微粉的燃烧合成方法的优点是反应速度快、合成时间短、节约大量能源;成本低、生产效率高;产物纯度高;设备占地面积小。与现有技术相比较,本发明的主要优势在于利用原料的化学能,只需要很小的能量点火即可,可节约大量能源;燃烧合成的效率很高,反应过程只需几分钟即可完成,极大地提高了生产效率;燃烧合成的温度很高(可达2000-3000℃),高温有利于杂质的挥发,因而产物的纯度很高。综合上述分析,采用燃烧合成技术生产二硼化锆粉末,具有生产效率高、耗能少、成本低等突出优点,产品性能优良,应用前景广阔,该技术的使用将具有明显的社会效益和经济效益。
具体实施方式
:具体实施方式一:本实施方式的方法是按以下步骤实现的:一、将基础原料和稀释剂进行配料,基础原料按重量百分比为:二氧化锆(ZrO2):31%~58%、硼酐(B2O3):0%~25%、镁粉(Mg):25%~44%,加入的稀释剂(二硼化锆)重量为基础原料的0~2.3倍;二、在80~150℃真空条件下干燥600~1200分钟,将基础原料和稀释剂的混合物装入混料罐,机械球磨混合1200~1500分钟;三、将混合均匀的粉末装入石墨舟,然后放入密闭压力容器中,反应器采用循环水冷却,充入保护气氛的压强为0~2Mpa,点火使之发生自蔓延反应,点火采用Ni-Cr丝,点火剂为粒度小于300目纯Ti粉与碳黑的混合物;四、冷却后取出产物,产物为二硼化锆和氧化镁的混合物,产物在盐酸溶液中酸洗去除氧化镁,剩余的二硼化锆经水洗、过滤、干燥后,得到最终的产品。
具体实施方式
二:本实施方式的原料是由基础原料和稀释剂组成,基础原料中各组分的重量百分比为:二氧化锆:31%、硼酐:25%、镁粉:44%,加入的稀释剂重量为基础原料的0~2.3倍,保护气氛的压强为1Mpa,酸洗后获得的产物球形二硼化锆粉末,随稀释剂含量的变化,粒度可在0.1μm~10μm范围变化,纯度为98.5%~99.5%。其它方法和步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式
三:本实施方式与具体实施方式一或二的不同点在于,由碳化硼替代部分硼酐(B2O3)和镁粉,碳化硼占基础原料的重量百分比≤17%。由碳化硼替代部分硼酐(B2O3)和镁粉可以降低产品的成本。其它方法和步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式
四:本实施方式的原料由基础原料和稀释剂组成,在基础原料中由碳化硼替代了全部的硼酐,基础原料中各组分的重量百分比为:二氧化锆:58%、镁粉:25%、碳化硼17%,加入的稀释剂重量为基础原料的0~2.3倍,保护气氛压强为2Mpa,酸洗后获得球形二硼化锆粉末产物,随稀释剂含量的变化,粒度可在0.1μm~10μm范围变化,纯度为97%~98.5%。其它方法和步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式
五:本实施方式的原料由基础原料和稀释剂组成,在基础原料中由碳化硼替代了部分的硼酐和镁粉,基础原料中各组分的重量百分比为:二氧化锆:41%、硼酐:16%、镁粉:35%、碳化硼8%,加入的稀释剂重量为基础原料的0~2.3倍,保护气氛压强为2Mpa,酸洗后获得球形二硼化锆粉末产物,随稀释剂含量的变化,粒度可在0.1μm~10μm范围变化,纯度为98%~99%。其它方法和步骤与具体实施方式一相同。
工作原理:燃烧合成,即自蔓延高温合成(英文简称SHS),是一种新型的无机难熔材料的制备工艺。它利用原料合成反应时放出的大量反应热,使反应自维持下去直至反应结束,从而获得所需产物的一种方法。还原法燃烧合成二硼化锆粉末所利用的化学反应为:(1)式中,x为原料中加入稀释剂的含量。稀释剂是将产物加入原料中以降低反应的温度,控制工艺过程。
上述二硼化锆燃烧合成是在真空或保护气氛下(如氩气)进行的。气氛压强的升高,有利于反应的充分进行,抑制Mg和硼酐在高温下的挥发。压强值可取:0~2MPa。原料中稀释剂的含量对产物的粒度大小,具有重要的影响。稀释剂含量越高,产物的粒度越小。在稀释剂含量占整个原料的0%~70%重量比的情况下,均可实现燃烧合成反应。相应的产物粒度可在10μm~0.1μm范围内变化。本发明的难点在于如果原料中的二氧化锆(ZrO2)在反应后出现剩余,则难以酸洗除去,产物纯度很低。另外硼酐(B2O3)在高温下极易挥发,如果原料中硼酐不足,则产物的硼含量将不足。因此原料中的镁粉和硼酐均需要适当过量,才能获得高纯度二硼化锆微粉,粒度在0.2~1.8微米范围内可调。鉴于原料中硼酐(B2O3)在高温下极易挥发,以及镁粉比较贵,在利用本发明的方法制备二硼化锆粉末时以低价格的碳化硼(B4C)替代部分硼酐(B2O3)和镁粉。反应原理为:(2)式中:x为原料中加入稀释剂(ZrB2)的含量。Y为添加剂B4C的含量。Y值越大,原料成本越低。为确保燃烧合成反应进行,存在最大值Ymax,大于该值将不能实现燃烧合成反应。Ymax与稀释剂的含量x相联系,x越大,Ymax越小,也就是说稀释剂含量的增加,会降低用碳化硼取代镁粉和硼酐的能力。不加入稀释剂时,即y=0时,Zmax最大,依反应条件的不同,Zmax可达到0.5~0.75。
本发明的产物为二硼化锆粉末,化学式为ZrB2,产物二硼化锆为球形粉末,粒度范围0.1微米到10微米,纯度大于99%。

Claims (7)

1.二硼化锆微粉的燃烧合成方法,其特征在于它是按以下步骤实现的:一、将基础原料和稀释剂进行配料,基础原料包含二氧化锆、硼酐和镁粉,按重量百分比为:二氧化锆:31%~58%、硼酐:0%~25%、镁粉:25%~44%,加入的稀释剂二硼化锆重量为基础原料的0~2.3倍;二、在80~150℃真空条件下干燥600~1200分钟,将基础原料和稀释剂的混合物装入混料罐,机械球磨混合1200~1500分钟;三、将混合均匀的粉末装入石墨舟,然后放入密闭压力容器中,反应器采用循环水冷却,充入保护气氛的压强为0~2Mpa,点火使之发生自蔓延反应,点火采用Ni-Cr丝,点火剂为粒度小于300目纯Ti粉与碳黑的混合物;四、冷却后取出产物,产物为二硼化锆和氧化镁的混合物,产物在盐酸溶液中酸洗去除氧化镁,剩余的二硼化锆经水洗、过滤、干燥后,得到最终的产品。
2.根据权利要求1所述的二硼化锆微粉的燃烧合成方法,其特征在于基础原料中各组分的重量百分比为:二氧化锆:31%、硼酐:25%、镁粉:44%。
3.根据权利要求1所述的二硼化锆微粉的燃烧合成方法,其特征在于由碳化硼替代部分硼酐和镁粉,碳化硼占基础原料的重量百分比≤17%。
4.根据权利要求3所述的二硼化锆微粉的燃烧合成方法,其特征在于基础原料中各组分的重量百分比为:二氧化锆:58%、镁粉:25%、碳化硼17%。
5.根据权利要求3所述的二硼化锆微粉的燃烧合成方法,其特征在于基础原料中各组分的重量百分比为:二氧化锆:41%、硼酐:16%、镁粉:35%、碳化硼8%。
6.根据权利要求1所述的二硼化锆微粉的燃烧合成方法,其特征在于保护气氛压强为1Mpa。
7.根据权利要求1所述的二硼化锆微粉的燃烧合成方法,其特征在于保护气氛压强为2Mpa。
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