一种化合物的自蔓延合成反应装置的制作方法

本实用新型公开了一种化工制备装置，具体来说，涉及一种制备高纯度、精粒度的亚微米级碳化硼粉体的化合物的自蔓延合成反应装置。
背景技术：
：目前，科研文献中提到的碳化硼粉末的制备方法有电弧炉碳热还原法、碳管炉碳热还原法、中频感应炉碳热还原法、Sol-Gel法、气相沉积法及镁热还原法等，这些不同方法所制备材料的纯度和粒度各不相同。当前，国内能够实现碳化硼产业化制备的技术路线只有碳热还原法，其中以电弧炉碳热还原法的产能最高。但电弧炉碳热还原制备碳化硼工艺能耗高、生产环境恶劣，合成的碳化硼硬块后续的研磨提纯工艺复杂，最终制备粉末的颗粒粗大(微米级)、纯度较低，严重降低了碳化硼粉末烧结制品的性能。超细碳化硼粉末可以显著降低致密化烧结温度，但是碳化硼是一种高硬度材料(其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼)，仅仅通过机械研磨的方法来获得精细碳化硼粉末是不现实的，要获得亚微米级甚至更精细的碳化硼粉末，开发碳热还原法以外的其他技术路线就显得尤为重要。目前，Sol-Gel法和气相沉积法能够合成纳米级碳化硼粉末，但成本高、生产效率低，距离产业化还有很大的距离。技术实现要素：本发明针对现有碳化硼粉末合成技术上存在的问题，提供了一种化合物的自蔓延合成反应装置，它包括电源、电热元件和石墨舟，所述电源引出的正负电极两端设置电热元件，所述电热元件与石墨舟的一端相接，所述石墨舟用于承装坯料，其包括带有底座的舟体和顶部盖板，所述舟体侧壁及顶部盖板上分别布置有至少为一个通孔，所述通孔体积小于坯料体积。为了进一步地实现本发明，它还包括反应室、真空泵和装有保护气体的容器，所述反应室呈卧式管状结构，所述反应室的内腔具有容纳石墨舟的第一空间及容纳保护气体的第二空间，所述反应室外壁设置有排气孔和进气孔，所述排气孔与真空泵相连通，所述进气孔与装有保护气体的容器相连通。为了进一步地实现本发明，所述保护气体为Ar。为了进一步地实现本发明，所述反应室外壁还设置有与电源的电极相匹配的正负电极位，所述正负电极位与所述第二空间相通，所述电热元件从正负电极位伸入，穿过第二空间，与石墨舟的一端相接。为了进一步地实现本发明，它还包括调压器，所述调压器设置在电源与反应室之间，通过所述调压器调整加热功率。为了进一步地实现本发明，所述电热元件具有耐高温800℃以上的特性，所述电热元件采用铁铬铝合金丝。为了进一步地实现本发明，它还包括流量计，所述流量计设置在装有保护气体的容器与反应室的进气孔之间，以便Ar气体的流量控制。为了进一步地实现本发明，所述石墨舟的两侧设置有可拆卸挡板。为了进一步地实现本发明，所述石墨舟舟体的开口处设置有供盖板横向抽拉的槽口，所述盖板横向设置于该舟体的开口处，与所述槽口配合连接于舟体上。为了进一步地实现本发明，所述保护气在反应室的第二空间里环抱石墨舟舟体。本实用新型的有益效果：本实用新型具有操作简单、生产效率提高、能耗降低及粉尘产生量少的特点，所制备碳化硼粉末纯度高、粒度细且具有较高的烧结活性。镁热自蔓延合成法是利用原料之间的放热化学反应，通过引燃后自身维持的燃烧过程来合成亚微米级粉末材料的一种先进技术，它具有生产效率高、所制备粉末纯度高、颗粒精细的特点。所以，采用镁热自蔓延合成高纯度、高粒度的碳化硼粉末具有极大的工业发展潜力。亚微米级碳化硼为灰黑色粉末，具有密度低(2.52g/cm3)、硬度高、熔点高(2450℃)、导热性好、耐磨性优良、对中子吸收能力大的特点，并且具有较高力学性能以及优良的抗氧化和耐腐蚀性能。由于其高硬度，亚微米级碳化硼及其复合材料可以用来制造研磨剂和防弹装甲。利用其密度低及高温强度高的特点，亚微米级碳化硼可以应用与航空航天领域。亚微米级碳化硼中的10B具有较高的中子吸收截面，作为一种核屏蔽和控制材料，亚微米级碳化硼因为它的高纯度、精粒度在核反应堆中具有更广泛的应用。附图说明图1为本发明的化合物的自蔓延合成反应装置示意图：1-调压器，2-真空泵，3-窥视窗口，4-反应室门，5-排气口，6-加热电极，7-石墨舟，8-进气口，9-流量计，10-Ar气瓶，11-带有钻孔的石墨舟盖板，12-石墨舟底座，13-石墨舟截面图；图2为以实施例2为例碳化硼粉末的XRD图谱；图3为粒度分析测试数据的曲线图。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步地详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，本具体实施的方向以图1方向为标准。本发明提供了一种粒度为亚微米级(100μm)碳化硼粉体及其合成方法，下面的实施例只是用于详细说明本发明，并不以任何方式限制发明的保护范围。本发明方法为：步骤1配备原料初步混合本发明以B2O3、纳米碳黑为硼源和碳源，以金属镁为还原剂，烘干脱水后将三氧化二硼(B2O3)、纳米碳黑(C)和金属镁(Mg)粉按照质量比B2O3：C：Mg＝(182～210)：12：(151～159)进行配料，按照化学方程式，这三种原料之间有一个理论配比是B2O3:C:Mg＝140:12:144即B2O3过量(30～50)％，Mg过量(5～10)％，三种原料的粒度均小于50μm，纯度高于98.5％，其中，纳米碳黑的粒度在80nm以下，纯度为大于99.99％，原料在钢包氧化铝内衬的滚筒混料机内初步混合。装料时，先装入B2O3和镁粉后装入纳米碳黑，以免碳黑飞扬产生损失。步骤2添加研磨介质，混料均匀本发明添加研磨介质为氧化锆球(ZrO2)，氧化锆球与原料的质量比是(1～1.5):1，氧化锆球(ZrO2)直径为Φ10mm，材料混合均匀，滚筒转速是25r/min，混料时间至少2小时，混料均匀性达标的判断依据是物料内不存在软团聚块，肉眼不可见白色散点，整体呈现均匀的灰色或灰黑色。研磨介质也可以采用本领域内一般技术人员所熟知的其他介质。步骤3原料与研磨介质分离混料均匀后，采用分样筛将氧化锆球进行分离，得到混合粉料。步骤4压力制成生坯将混合粉料倒入不锈钢坯体模具，在压力机施加(5～10)MPa压力下压制成直径为Φ50mm圆柱状的生坯。可以根据产业需要选择范围内的压强，以压制出不同密度的生坯。步骤5坯体入反应装置进行自蔓延的合成反应坯体装进钻孔半圆的石墨舟，石墨舟送进自蔓延反应室，然后对反应室抽真空，再通入流动的Ar气保护。反应室电连接电源的两极，在两者连接处设置有耐高温达800℃以上的电热元件，本实施例中的电热元件采用铁铬铝合金丝，该电热元件的另一端向反应室内延伸至石墨舟，当接通电源时，加热电热丝，同时，利用石墨舟良好的导热性加热物料，石墨舟具有传热快，受热均匀的特点。当白热的电热丝对物料加热到一定温度时，由于金属镁(Mg)受热易燃的特性引燃物料，石墨舟传热维持燃烧波，此时断电，物料依靠燃烧波自蔓延合成反应。步骤6对反应产物破碎待整个物料反应结束，自然冷却至常温，收集反应产物，原料之间发生化学反应，生成了B4C和MgO两种物质的混合物，采用颚式破碎机将产物破碎至5mm。步骤7研磨、分离采用研磨介质—氧化锆球(ZrO2)将燃烧产物研磨至30～50μm以下后，采用分样筛将球料分离。步骤8酸洗提纯将粉末物装入玻璃反应容器，加入2～5mol/L盐酸溶液，盐酸溶液的加入量需要在理论加入量的基础上过量25％，理论加入量的计算依据是1molMg元素需要消耗2mol的纯HCl。将玻璃反应容器进行密封，对物料进行酸洗提纯。酸洗过程中不断对物料进行搅拌、加热，从而金属镁在盐酸溶液中的还原稳定化，酸洗温度维持在80～120℃，酸洗时间10h，经测试，酸洗后的物料颗粒达到亚微米级。步骤9物料过滤、洗涤、干燥将酸洗产物过滤，并用去离子水洗涤后，得到滤饼，滤饼放入真空干燥箱内烘干，烘干温度为100℃，烘干时间12h。经过酸洗干燥后，多个颗粒会软团聚结块，形成5μm粒径以下的微米及亚微米级颗粒的物料。步骤10气流破碎烘干后的物料再经过气流粉碎设备破碎，利用这个方式不会引入杂质污染，团聚颗粒打开，得到纯度为99.4％、平均粒径为0.4～1μm的亚微米级碳化硼粉末可以占到90％以上。本发明还提供了一种化合物的自蔓延合成反应装置，如图1所示，它包括电源1、调压器2、反应室3、电热元件4、石墨舟5、真空泵6、Ar气瓶7和流量计8，其中：所述电源1的正负电极引出与反应室3连接，中间通过调压器2调整加热功率，所述电源1引出的正负电极两端设置耐高温800℃以上的电热元件4，所述电热元件4，在本实施例中，采用铁铬铝(FeCrAl)合金丝。由图1可知，所述反应室呈卧式管状结构，所述反应室3的内腔具有容纳石墨舟5的第一空间31及容纳环抱石墨舟5的保护气体的第二空间32，所述反应室3的左侧设置有反应室的推拉门33，承载坯料的石墨舟5从该推拉门33送入，该推拉门33的中心位置设置有窥视窗口331以便于操作人员顺时观察合成反应的状况；所述反应室3的左端外壁设置有排气孔34，所述排气孔34与真空泵6相连通；所述反应室3的右端外壁设置有进气孔35，所述进气孔35与Ar气瓶7相连通，其两者中间设置有流量计8，以便Ar气体的流量控制，Ar气瓶用于提供Ar气保护反应；在反应室3在进舟端的外壁还设置有与电源1的电极相匹配的正负电极位36，所述正负电极位36与第二空间32相通，以便电热元件4从正负电极位36伸入，穿过第二空间32，与石墨舟5的对应端部相接。所述石墨舟5包括带有底座的舟体51和带有圆孔54的盖板52，所述的舟体51用于承装坯料，该舟体51的轴截面为半圆形，两侧设置有可拆卸挡板53，该舟体51的开口处设置有供盖板横向抽拉的槽口511,所述盖板52横向设置于该舟体51的开口处，与所述槽口511配合连接于舟体51上，舟体侧壁及顶部盖板上均布置有直径为Φ3～5mm不等的小圆孔54，以便于物料在石墨舟内反应时热量及时消散和低熔点物质的挥发。表1自蔓延合成B4C粉末的化学分析结果成分含量(wt.％)总硼79.81总碳19.59总硼+总碳99.4游离硼0.37游离碳0.63氧0.22铁0.19其他杂质0.04亚微米级碳化硼(B4C)为灰黑色粉末，具有密度低(2.52g/cm3)、硬度高、熔点高(2450℃)、导热性好、耐磨性优良、对中子吸收能力大的特点，并且具有较高力学性能以及优良的抗氧化和耐腐蚀性能。碳化硼属斜方晶系，由于在非化学计量的碳化硼中，可望存在较高的空位浓度，而结构空位的非平衡状态可以活化扩散物质的转移机构，提高硼和碳的扩散能动性，导致晶格扭曲，降低结合能、扩散结合能、扩散激活能和位错运动阻力，因此可以使烧结过程得到活化，所以该亚微米级的碳化硼能作为气固反应的触媒、过渡金属或其他触媒的载体应用，本方法制得的亚微米级碳化硼粉质量符合我国国家标准GB5151－85中规定的核一级粉(HTP－1)要求[10]。由于其高硬度，该亚微米级碳化硼与其复合材料可以用来制造研磨剂和防弹装甲；利用其密度低及高温强度高的特点，碳化硼可以应用与航空航天领域；碳化硼中的10B具有较高的中子吸收截面，作为一种核屏蔽和控制材料；利用该亚微米级碳化硼的高纯度、精粒度及在烧结过程中活化性能，在核反应堆中具有广泛的应用。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。当前第1页1 2 3