專利名稱:快速制備碳化硼陶瓷粉體的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及ー種快速制備碳化硼陶瓷粉體的方法。
背景技術(shù):
碳化硼是碳化物材料中ー種重要的物質(zhì),也是近幾年來非氧化物陶瓷材料的研究熱點(diǎn)。碳化硼具有很高的熱中子吸收能力,可以作為核反應(yīng)堆的控制棒,又可作為核反應(yīng)屏蔽材料;碳化硼陶瓷屬于超硬材料,化學(xué)穩(wěn)定性好,具有良好的耐高溫、耐腐蝕、耐氧化性能,是良好的高溫結(jié)構(gòu)材料,超硬工具材料和表面保護(hù)材料,同時(shí)它還具有優(yōu)良的耐磨性能,在切削刀具材料、研磨劑、研磨部件等方向具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。近年來,先進(jìn)科技在其常規(guī)攻擊武器系統(tǒng)上的大量應(yīng)用,使攻擊武器系統(tǒng)取得了 長足的發(fā)展,迫使裝甲車輛的金屬防護(hù)層越來越厚,其戰(zhàn)斗全重越來越大,嚴(yán)重影響作戰(zhàn)的機(jī)動性能和快速反應(yīng)能力。為了提高其作戰(zhàn)機(jī)動能力,應(yīng)盡量減輕自身重量。使用陶瓷材料部分替代金屬材料組成陶瓷金屬復(fù)合裝甲的最終目標(biāo)是以較輕的質(zhì)量提供更高的弾道防護(hù)性能。目前所用的A1203、SiC、TiB2材料的高硬度、高彈性模量、高抗壓強(qiáng)度,提供了有利于摧毀高速弾丸的優(yōu)異防護(hù)能力。碳化硼陶瓷材料同時(shí)具有上述三個(gè)優(yōu)異性能,并且密度更低、硬度更高,是未來重要的防護(hù)材料。由于碳化硼的特殊用途,碳化硼粉的制備也成為近來研究的熱點(diǎn)。且隨著人們對碳化硼性能和用途的進(jìn)ー步了解,國外已禁止出售超細(xì)碳化硼陶瓷粉。碳化硼陶瓷粉末的傳統(tǒng)合成エ藝為碳熱還原法、激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法、自蔓延高溫合成法等。碳熱還原法是エ業(yè)上制備碳化硼的基本方法,但反應(yīng)所需要的溫度較高、反應(yīng)時(shí)間較長、所得到的碳化硼顆粒較大、燒結(jié)活性差,不能直接用于燒結(jié),需進(jìn)行破碎細(xì)化后使用,導(dǎo)致碳化硼純度不高,制造成本増加。自蔓延高溫合成法,反應(yīng)溫度較高,顆粒易團(tuán)聚,反應(yīng)過程可控性較差導(dǎo)致產(chǎn)物質(zhì)量不穩(wěn)定性,目前尚無用于エ業(yè)生產(chǎn)的報(bào)道。目前,國內(nèi)外學(xué)者嘗試用溶膠凝膠方法制備高純、超細(xì)的碳化硼粉末。溶膠凝膠法不僅可以制備無機(jī)陶瓷粉末和復(fù)合陶瓷粉末,還可以進(jìn)行摻雜、制備混合粉末,井能方便地改變粉末成分。與其它方法相比,溶膠凝膠法制粉設(shè)備及エ藝簡單,不但可制備粒徑細(xì)、燒結(jié)活性高的粉體,降低結(jié)構(gòu)陶瓷的燒結(jié)溫度,而且所得粉體純度高,滿足功能陶瓷對原料純度的要求。J. A-Bigdeloo等采用硼酸和檸檬酸作為硼源與碳源制得前驅(qū)體,將其在真空狀態(tài)下于1350-1500°C保溫2. 5h,得到平均粒徑為3. 43um的碳化硼粉體,所得粉末仍含有大量的游離碳剩余,約為13. 86% ;A. K. KHANRA以硼酸與檸檬酸為硼源與碳源制得前驅(qū)體,將其在1600°C氬氣氣氛下進(jìn)行熱處理得到黒色粉末,并于600°C、2h進(jìn)行后續(xù)除碳處理,最終得到平均粒徑為9. 4um的B4C粉末??梢娙绻捎脗鹘y(tǒng)的熱處理方式,合成時(shí)間較長,所得產(chǎn)物的顆粒粒徑較大,通常為微米級,且高溫?zé)崽幚砗笏玫姆勰┲泻写罅康挠坞x碳,通常需要后續(xù)熱處理以除去多余的碳。已有研究表明,在最終的碳熱還原反應(yīng)過程中,游離碳的含量將隨著溫度升高、保溫時(shí)間延長而増大。放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering)簡稱SPS,是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的材料制備新技術(shù)之一。SPS的主要特點(diǎn)是利用體加熱和表面活化,實(shí)現(xiàn)材料的超快速致密化燒結(jié),SPS過程中,電極通入直流脈沖電流時(shí)將會瞬間產(chǎn)生放電等離子體,該放電等離子體使燒結(jié)體內(nèi)部各顆粒均勻地自身產(chǎn)生焦耳熱,并使顆粒表面活化。這種放電直接加熱法的熱效率極高,且放電點(diǎn)的彌散分布能夠?qū)崿F(xiàn)均勻加熱。因此,SPS技術(shù)具有熱壓、熱等靜壓技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)用SPS來制備高致密度、細(xì)晶粒陶瓷時(shí),升溫速率快,燒結(jié)溫度相對較低,而且燒結(jié)時(shí)間相對較短(5 20min),生產(chǎn)效率高。所得產(chǎn)物的組織均勻細(xì)小,能夠很好的保持原材料的自然狀態(tài),并且所得材料的致密度高。此外,SPS消耗的電能只是熱壓或熱等靜壓的1/3 — 1/5,是ー種節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保的材料制備新技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種快速制備碳化硼陶瓷粉體的方法,該方法所到得的碳化硼陶瓷粉體純度高、晶粒細(xì)小。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是快速制備碳化硼陶瓷粉體的方法,其特征在于它按如下步驟獲得
1)原料的選取按硼酸三甲酯與蔗糖的物質(zhì)量(摩爾比)比為12:1 12:3[即12:(1 3)],硼酸三甲酷、甲醇、螯合劑こ酸、水的體積比為6:40:1:1 6:80:2:4[即6: (40 80) : (I 2):(1 4)],選取硼酸三甲酷、蔗糖、甲醇、螯合劑こ酸和水;按蔗糖與溶劑こ酸的配比=(7 8) g:50mL,選取溶劑こ酸;
2)干凝膠粉的制備
將蔗糖溶于溫度為75 85°C的溶劑こ酸中,所得溶液冷卻至室溫,得到碳源溶液(作為碳源使用);取甲醇總體積25 75%的甲醇與硼酸三甲酯混合后置于20 30°C的恒溫水浴鍋中攪拌,添加螯合劑こ酸,攪拌使其混合均勻,得到硼酸三甲酯混合液;將余下的甲醇與碳源溶液、水混合,得到碳源混合溶液;然后將碳源混合溶液滴加到高速攪拌的硼酸三甲酷混合液中,在20 30°C下,攪拌2 7天(混合均勻,生成較好的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)),經(jīng)過I 7天陳化后,獲得凝膠;凝膠置于80 110°C干燥箱內(nèi)干燥24 48h,干法研磨
O.5 Ih后,得到干凝膠粉;
3)前驅(qū)體粉的制備
干凝膠粉末在氬氣保護(hù)的條件下進(jìn)行熱處理,以3 5°C /min的升溫速率,在500 700°C溫度下保溫30 60min,充分分解及排除有機(jī)物,冷卻后進(jìn)行干法研磨O. 5 lh,得到碳化硼前驅(qū)體粉(氧化硼和游離碳的總含量大于99. 5wt%);
4)前驅(qū)體粉的熱處理
碳化硼前軀體粉(3 5g)置入石墨反應(yīng)器中,石墨反應(yīng)器置入大電流反應(yīng)合成裝置中,并通以氬氣保護(hù),以50 400°C /min的速率加熱到1650 1800°C的反應(yīng)溫度(其中最佳的升溫速率為100 200°C /min、最佳的合成溫度范圍是1650 1750°C ),在反應(yīng)溫度(合成溫度)下保溫時(shí)間為5 20分鐘(最佳保溫時(shí)間為10 15分鐘),獲得晶粒粒徑在100 500nm范圍內(nèi)的碳化硼陶瓷粉體。所述的高速攪拌是指轉(zhuǎn)速800 1300r/min。本發(fā)明采用快速升溫和短的保溫時(shí)間使碳化硼陶瓷粉體的合成時(shí)間大幅度縮短,且快速的升溫速率(一般最高能達(dá)到400K/min)使得反應(yīng)物在反應(yīng)前后均具有較高的活性,有利于前驅(qū)體向最終產(chǎn)物B4C的轉(zhuǎn)變,使得反應(yīng)盡可能進(jìn)行完全,從而有效的降低了最終產(chǎn)物中游離碳含量,此外,快速的升溫速率和短的保溫時(shí)間有效的抑制了晶體的長大。該方法可成功獲得高純、超細(xì)且燒結(jié)性能好的碳化硼陶瓷粉。本發(fā)明的有益效果是以硼酸三甲酯、蔗糖、こ酸、甲醇、水為原料,采用溶膠ー凝膠方法制備出適合快速合成的前驅(qū)體,在前驅(qū)體粉熱處理步驟中,采用脈沖電流以高的升溫速率和短的保溫時(shí)間條件下進(jìn)行碳熱還原反應(yīng),將碳化硼陶瓷粉體的合成過程縮短到幾十分鐘甚至幾分鐘,且所得的黒色粉末無需進(jìn)行后續(xù)的除碳エ藝。該合成方法可獲得純度高、晶粒細(xì)小(平均粒徑小于500nm)、游離碳含量低的碳化硼陶瓷粉體,通過X射線衍射分析為單一碳化硼物相。游離碳含量為1% 3%之間;晶粒均勻細(xì)小,平均粒徑小于500nm。
圖I為本發(fā)明制備的碳化硼陶瓷粉體的XRD譜圖,譜線a、譜線b、譜線C、譜線d分別是實(shí)施例I、實(shí)施例2、實(shí)施例3、實(shí)施例4所制備的碳化硼陶瓷粉體的譜線。
圖2為本發(fā)明中實(shí)施例I制備的碳化硼陶瓷粉體的SEM照片。圖3為本發(fā)明中實(shí)施例2制備的碳化硼陶瓷粉體的SEM照片。圖4為本發(fā)明中實(shí)施例3制備的碳化硼陶瓷粉體的SEM照片。圖5為本發(fā)明中實(shí)施例4制備的碳化硼陶瓷粉體的SEM照片。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明,下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)ー步闡明本發(fā)明的內(nèi)容,但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。實(shí)施例I :
(I)將7g蔗糖溶于溫度為75°C的50mL溶劑こ酸中,所得溶液冷卻至室溫,得到碳源溶液(作為碳源使用)。將6mL的硼酸三甲酯溶液用IOmL的甲醇稀釋后,放置于20°C的恒溫水浴鍋中攪拌10分鐘,添加I. 5mL的螯合劑こ酸到該混合液中,并攪拌15分鐘使其混合均勻,得到硼酸三甲酯混合液。按硼酸三甲酯與蔗糖的物質(zhì)量比為12:1量取碳源溶液,并用30mL的甲醇稀釋,滴加ImL的水(H2O)于稀釋后的碳源中,得到碳源混合溶液;然后將碳源混合溶液滴加到高速攪拌的硼酸三甲酯混合液中,在20°C下,攪拌2天,混合均勻,經(jīng)過I天陳化后,獲得乳白色的凝膠,隨后在80°C的干燥箱中干燥48h,干法研磨O. 5h后,得到干凝膠粉。(2)將干凝膠粉末在管式爐中氬氣保護(hù)條件下進(jìn)行熱處理,以5°C /min的升溫速率,在600°C的溫度下保溫lh,充分排除有機(jī)物,冷卻后干法研磨Ih后得到碳化硼前驅(qū)體粉;
(3)取約3g碳化硼前驅(qū)體粉放入石墨反應(yīng)器中,石墨反應(yīng)器內(nèi)徑為40mm。將石墨反應(yīng)器置入大電流反應(yīng)合成裝置中,并充以氬氣保護(hù)。對反應(yīng)器直接通大電流,使其以200°C /min的速率加熱到1650°C,并在該溫度下保溫10分鐘后隨爐冷卻至室溫,獲得松散的黒色粉末(即碳化硼陶瓷粉),采用XRD檢測其物相組成為単相碳化硼,未發(fā)現(xiàn)氧化硼相(見附圖I譜線a),SEM分析顯示粉末顆粒粒徑均小于500nm(見附圖2),平均粒徑為180. 5nm(ZetaPALS激光粒度分布儀測定)。產(chǎn)物中的碳化硼的純度為97. 5% 98. 5%,游離碳含量為I. 20%(美國LECD公司的CS-444型號碳硫分析儀)。說明該方法所得到的碳化硼陶瓷粉體純度高、晶粒細(xì)小。實(shí)施例2
(I)將7. 5g蔗糖溶于溫度為80°C的50mL溶劑こ酸中,所得溶液冷卻至室溫,得到碳源溶液(作為碳源使用)。將6mL的硼酸三甲酯溶液用20mL的甲醇稀釋后,放置于25°C的恒溫水浴鍋中攪拌10分鐘,添加2mL的螯合劑こ酸到該混合液中,并攪拌15分鐘使其混合均勻,得到硼酸三甲酯混合液。按硼酸三甲酯與蔗糖的物質(zhì)量比為12:2量取碳源溶液并用20mL的甲醇稀釋,滴加2mL的H2O于稀釋后的碳源中,得到碳源混合溶液;然后將碳源混合溶液滴加到高速攪拌的硼酸三甲酯混合液中,在25°C下,攪拌7天,混合均勻,經(jīng)過7天陳化后,獲得乳白色的凝膠,隨后在80°C的干燥箱中干燥24h,干法研磨Ih后,得到干凝膠粉。(2)將干凝膠粉在管式爐中氬氣保護(hù)條件下進(jìn)行熱處理,以3°C /min的升溫速率, 在700°C的溫度下保溫30min,充分排除有機(jī)物,冷卻后干法研磨Ih后得到碳化硼前驅(qū)體粉;
(3)取約5g碳化硼前驅(qū)體粉放入石墨反應(yīng)器中,石墨反應(yīng)器內(nèi)徑為40mm。將石墨反應(yīng)器置入大電流反應(yīng)合成裝置中,并充以氬氣保護(hù)。對反應(yīng)器直接通大電流,使其以100°C /min的速度加熱到1750°C,并在該溫度下保溫15分鐘后隨爐冷卻至室溫,獲得松散的黒色粉末(即碳化硼陶瓷粉),采用XRD檢測其物相組成為単相碳化硼,未發(fā)現(xiàn)氧化硼相(見附圖譜線b),SEM分析顯示粉末顆粒粒徑均小于500nm (見附圖3),平均粒徑為387. 3nm (ZetaPALS激光粒度分布儀測定)。產(chǎn)物中的碳化硼的純度為96% 97%,游離碳含量為2. 07%(美國LECD公司的CS-444型號碳硫分析儀)。說明該方法所到得的碳化硼陶瓷粉體純度高、晶粒細(xì)小。實(shí)施例3
(I)將Sg蔗糖溶于溫度為85°C的50mL溶劑こ酸中,所得溶液冷卻至室溫,得到碳源溶液(作為碳源使用);將6mL的硼酸三甲酯溶液用60mL的甲醇稀釋后,放置于30°C的恒溫水浴鍋中攪拌10分鐘,添加2mL的螯合劑こ酸到該混合液中,并攪拌15分鐘使其混合均勻,得到硼酸三甲酯混合液;按硼酸三甲酯與蔗糖的物質(zhì)量比為12:2. 5量取碳源溶液,并用20mL的甲醇稀釋,滴加4mL的H2O于稀釋后的碳源中,得到碳源混合溶液;然后將碳源混合溶液滴加到高速攪拌的硼酸三甲酯混合液中,在30°C下,攪拌3天,混合均勻,經(jīng)過I天陳化后,獲得乳白色的凝膠,隨后在110°C的干燥箱中干燥48h,研磨lh,后得到干凝膠粉。(2)將干凝膠粉末在管式爐中氬氣保護(hù)條件下進(jìn)行熱處理,以3°C /min升溫速率,在600°C的溫度下保溫30min,充分排除有機(jī)物,冷卻后研磨O. 5h得到碳化硼前驅(qū)體粉;
(3)取約5g碳化硼前驅(qū)體粉末放入石墨反應(yīng)器中,反應(yīng)內(nèi)徑為40mm。將反應(yīng)器置入大電流反應(yīng)合成裝置中,并充以氬氣保護(hù)。對反應(yīng)器直接通大電流,使其以400°C /min的速率加熱到1700°C,并在該溫度下保溫20分鐘后隨爐冷卻至室溫,獲得松散的黒色粉末(即碳化硼陶瓷粉),采用XRD檢測其物相組成為単相碳化硼,未發(fā)現(xiàn)氧化硼相(見附圖I譜線c),SEM分析顯示粉末顆粒粒徑均小于500nm (見附圖4),平均粒徑為369. 5nm (Zeta PALS激光粒度分布儀測定)。產(chǎn)物中的碳化硼的純度為97% 98%,游離碳含量為I. 36%(美國LECD公司的CS-444型號碳硫分析儀)。說明該方法所到得的碳化硼陶瓷粉體純度高、晶粒細(xì)小。實(shí)施例4 (I)將7. 5g蔗糖溶于溫度為80°C的50mL溶劑こ酸中,所得溶液冷卻至室溫,得到碳源溶液(作為碳源使用);將6mL的硼酸三甲酯溶液用30mL的甲醇稀釋后,放置于25°C的恒溫水浴鍋中攪拌10分鐘,添加ImL的螯合劑こ酸到該混合液中,并攪拌15分鐘使其混合均勻,得到硼酸三甲酯混合液;按硼酸三甲酯與蔗糖的物質(zhì)量比為12:3量取碳源溶液,并用30mL的甲醇稀釋,滴加2mL的H2O于稀釋后的碳源中,得到碳源混合溶液;然后將碳源混合溶液滴加到高速攪拌的硼酸三甲酯混合液中,在25°C下,攪拌5天,混合均勻,經(jīng)過3天陳化后,獲得乳白色的凝膠。隨后在80°C的干燥箱中干燥24h,研磨后得到干凝膠粉。(2)將干凝膠粉末在管式爐中氬氣保護(hù)的條件下進(jìn)行熱處理,以5°C /min升溫速率,在500°C的溫度下保溫lh,充分排除有機(jī)物,冷卻后研磨O. 5h得到碳化硼前驅(qū)體粉。(3)取約5g碳化硼前驅(qū)體粉末放入石墨反應(yīng)器中,反應(yīng)內(nèi)徑為40mm。將反應(yīng)器置入大電流反應(yīng)合成裝置中,并充以氬氣保護(hù)。將反應(yīng)器置入大電流反應(yīng)合成裝置中,并充以氬氣保護(hù)。對反應(yīng)器直接通大電流,使其以50°C /min的速度加熱到1800°C,·并在該溫度下保溫5分鐘后隨爐冷卻至室溫,獲得松散的黒色粉末(即碳化硼陶瓷粉),采用XRD檢測其物相為純相碳化硼(見圖附I譜圖d),SEM分析顯示粉末顆粒粒徑均小于500nm (見附圖5),平均粒徑為482. 6nm (Zeta PALS激光粒度分布儀測定)。產(chǎn)物中的碳化硼的純度為95% 97%,游離碳含量為2. 84% (美國LECD公司的CS-444型號碳硫分析儀)。說明該方法所到得的碳化硼陶瓷粉體純度高、晶粒細(xì)小。本發(fā)明各原料的上下限、區(qū)間取值,以及エ藝參數(shù)(如溫度、時(shí)間等)的上下限、區(qū)間取值都能實(shí)現(xiàn)本發(fā)明,在此不一一列舉實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.快速制備碳化硼陶瓷粉體的方法,其特征在于它包括如下步驟 1)原料的選取按硼酸三甲酯與蔗糖的物質(zhì)量比為12:1 12:3,硼酸三甲酷、甲醇、螯合劑こ酸、水的體積比為6:40:1:1 6:80:2:4,選取硼酸三甲酷、蔗糖、甲醇、螯合劑こ酸和水;按蔗糖與溶劑こ酸的配比=(7 8) g:50mL,選取溶劑こ酸; 2)干凝膠粉的制備 將蔗糖溶于溫度為75 85°C的溶劑こ酸中,所得溶液冷卻至室溫,得到碳源溶液;取甲醇總體積25 75%的甲醇與硼酸三甲酯混合后置于20 30°C的恒溫水浴鍋中攪拌,添加螯合劑こ酸,攪拌使其混合均勻,得到硼酸三甲酯混合液;將余下的甲醇與碳源溶液、水混合,得到碳源混合溶液;然后將碳源混合溶液滴加到高速攪拌的硼酸三甲酯混合液中,在20 30°C下,攪拌2 7天,經(jīng)過I 7天陳化后,獲得凝膠;凝膠置于80 110°C干燥箱內(nèi)干燥24 48h,干法研磨O. 5 Ih后,得到干凝膠粉; 3)前驅(qū)體粉的制備 干凝膠粉末在氬氣保護(hù)的條件下進(jìn)行熱處理,以3 5°C /min的升溫速率,在500 700°C溫度下保溫30 60min,冷卻后進(jìn)行干法研磨O. 5 lh,得到碳化硼前驅(qū)體粉; 4)前驅(qū)體粉的熱處理 碳化硼前軀體粉置入石墨反應(yīng)器中,石墨反應(yīng)器置入大電流反應(yīng)合成裝置中,并通以氬氣保護(hù),以50 400°C /min的速率加熱到1650 1800°C的反應(yīng)溫度,在反應(yīng)溫度下保溫時(shí)間為5 20分鐘,獲得碳化硼陶瓷粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速制備碳化硼陶瓷粉體的方法,其特征在于步驟4)所述升溫速率為100 200°C /min,反應(yīng)溫度范圍是1650 1750°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速制備碳化硼陶瓷粉體的方法,其特征在于步驟4)所述保溫時(shí)間為10 15分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的快速制備碳化硼陶瓷粉體的方法,其特征在于步驟4)所獲得碳化硼陶瓷粉體的晶粒粒徑在100 500nm范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種快速制備碳化硼陶瓷粉體的方法。快速制備碳化硼陶瓷粉體的方法,其特征在于它包括如下步驟1)原料的選取按硼酸三甲酯與蔗糖的物質(zhì)量比為12:1~12:3;硼酸三甲脂、甲醇、螯合劑乙酸、水的體積比為6:40:1:1~6:80:2:4選取原料;按蔗糖與溶劑乙酸的配比=(7~8)g:50mL,選取溶劑乙酸;2)干凝膠粉的制備;3)前驅(qū)體粉的制備;4)前驅(qū)體粉的熱處理。在高的升溫速率和短的保溫時(shí)間條件下進(jìn)行碳熱還原反應(yīng),將碳化硼粉體的碳熱合成過程縮短到幾十分鐘甚至幾分鐘,且無需后續(xù)除碳工藝,獲得高純、微細(xì)、燒結(jié)性能好的碳化硼陶瓷粉體。通過X射線衍射分析為單一碳化硼物相,產(chǎn)物中游離碳含量為1%~3%之間;晶粒均勻細(xì)小,平均粒徑小于500nm。
文檔編號C04B35/624GK102731110SQ201210226770
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者傅正義, 張帆, 張金詠, 王為民, 王玉成, 王皓 申請人:武漢理工大學(xué)