本发明涉及一种碳化硼/碳复合粉体的制备方法。
背景技术:
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碳化硼是一种重要的特种陶瓷材料,具有优良的机械与化学性能:密度低,理论密度仅2520kg/m3;硬度高,莫氏硬度为9.3,显微硬度为55-67GPa,是硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的材料;化学性质稳定,在常温下不与酸、碱和大多数无机化合物反应,仅在氢氟酸-硫酸、氢氟酸-硝酸混合物中有缓慢的腐蚀,是化学性质最稳定的化合物之一。此外,碳化硼还有很强的中子吸收能力,可用作核电专用件的生产。因此,作为结构材料和化学原料,碳化硼在抛光与精研、制备耐磨、耐腐蚀器件、钢表面渗硼、核反应堆堆芯组件等领域中有广泛的应用前景。在生产碳化硼陶瓷时,除了要使用高纯度碳化硼粉体外,还需要将适当比例的高纯度碳粉与之混合,然后通过压制得到最终的陶瓷材料。这就需要制备碳化硼粉体,并将其与碳粉混合,生产流程复杂。
在制备碳化硼粉体方面,目前主要的制备方法主要有碳热还原法、自蔓延高温合成法、元素直接合成法、化学气相沉积法和机械合金化法等。这些方法存在的主要问题包括:1、反应时间较长,耗能高;2、合成的粉末粒径大,需要大量的破碎工艺,增加了生产成本;3、粉碎及相关加工过程还可能引入含铁杂质等,降低粉末的纯度。聚合物前驱体法是利用聚合物与硼源反应,生成凝胶再进行高温处理得到碳化硼的一种方法。该种方法制备的碳化硼纯度高,颗粒尺寸小。但是,这种方法依然存在生产过程复杂、产品收率低等问题。因此,总体上来说现有的生产碳化硼陶瓷的流程存在工艺复杂、原料制备能耗高等问题。
技术实现要素:
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本发明正是针对上述问题,提供了一种使用固相合成的可用于碳化硼陶瓷生产,可简化生产工艺,提高碳化硼产品的质量与收率的碳化硼/碳复合粉体的制备方法。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案,具体的制备方法为,
1、将高分子碳源和硼源按1~10:1的质量比混合;
2、第一次升温处理
将混合好的原料以1~100℃/min的升温速度升温至25~250℃,在该温度下恒温加热10min~50h;
3、第二次升温处理
继续以1~100℃/min的升温速度升温至250~600℃,在该温度恒温加热10min~50h;
4、第三次升温处理
接着以1~100℃/min的升温速度升温至600~1200℃,在该温度恒温加热10min~50h;
5、第一次降温处理
将物料以1~100℃/min的速度降温至25℃并粉碎;
6、第四次升温处理
粉碎处理后,以1~100℃/min的升温速度升温至1200~2500℃,在该温度恒温加热10min~50h;
7、第二次降温处理
将物料以1~100℃/min的降温速度降温至25℃得到碳化硼/碳复合粉体。
所述的高分子碳源为聚合度100~5000的聚乙烯醇。
所述的硼源为硼酸或三氧化二硼。
本发明的有益效果:
本发明简化了生产陶瓷用碳化硼/碳复合粉体时,需要混合碳化硼和碳粉体,工艺流程长等问题。解决了传统碳化硼制备过程能耗大,产品纯度低,产品粉碎处理不易,产品收率低等问题,同时避免了聚合物前驱体法需要先制备前驱体,处理工艺复杂等问题,极大的降低了产品的制备难度,提高了产品的质量。
此外,本发明能够制备纳米级的碳化硼/碳复合粉体,这种粉体为制备高性能碳化硼陶瓷提供了高质量的原料。
附图说明:
图1为实施例1制得的碳化硼/碳复合粉体中碳化硼的SEM照片。
图2为实施例1制得的碳化硼/碳复合粉体中碳的SEM照片。
具体实施方式:
实施例1
称取500克聚合度为300的聚乙烯醇与100克硼酸进行混合,将混合好的原料,按照10℃/分钟的升温速度升温至180℃,在该温度恒温加热1小时;接着继续按照10℃/分钟的升温速度升温至550℃,在该温度恒温加热3小时;然后继续按照5℃/分钟的升温速度升温至700℃,在该温度恒温加热4小时;在第三次升温处理以后,将物料按照50℃/分钟的速度降温至25℃粉碎;粉碎处理以后,继续按照5℃/分钟的升温速度升温至1600℃,在该温度恒温加热10小时;最后继续按照8℃/分钟的降温速度降温至25℃,得到碳化硼/碳复合粉体。
由图1-2可知,碳化硼复合粉体中的碳化硼颗粒为500nm左右,碳化硼复合粉体中的碳颗粒为100nm左右。
实施例2
称取800克聚合度为500的聚乙烯醇与100克硼酸进行混合,将混合好的原料,按照30℃/分钟的升温速度升温至200℃,在该温度恒温加热30分钟;接着继续按照10℃/分钟的升温速度升温至250℃,在该温度恒温加热1小时;然后继续按照10℃/分钟的升温速度升温至1100℃,在该温度恒温加热10分钟;在第三次升温处理以后,将物料按照20℃/分钟的速度降温至25℃粉碎;粉碎处理以后,继续按照20℃/分钟的升温速度升温至1500℃,在该温度恒温加热3小时;最后按照50℃/分钟的降温速度降温至25℃,得到碳化硼/碳复合粉体。
实施例3
称取500克聚合度为5000的聚乙烯醇与500克硼酸进行混合,将混合好的原料,按照1℃/分钟的升温速度升温至80℃,在该温度恒温加热50小时;接着继续按照2℃/分钟的升温速度升温至400℃,在该温度恒温加热1小时;然后继续按照20℃/分钟的升温速度升温至900℃,在该温度恒温加热40分钟;在第三次升温处理以后,将物料按照50℃/分钟的速度降温至25℃粉碎;粉碎处理以后,继续按照5℃/分钟的升温速度升温至1600℃,在该温度恒温加热1小时;最后按照5℃/分钟的降温速度降温至25℃,得到碳化硼/碳复合粉体。
实施例4
称取700克聚合度为100的聚乙烯醇与100克三氧化二硼进行混合;将混合好的原料按照3℃/分钟的升温速度升温至150℃,在该温度恒温加热30小时;接着继续按照7℃/分钟的升温速度升温至450℃,在该温度恒温加热8小时;然后继续按照10℃/分钟的升温速度升温至850℃,在该温度恒温加热50分钟;在第三次升温处理以后,将物料按照40℃/分钟的速度降温至25℃粉碎;粉碎处理以后,继续按照5℃/分钟的升温速度升温至1400℃,在该温度恒温加热2小时;最后按照5℃/分钟的降温速度降温至25℃,得到碳化硼/碳复合粉体。
实施例5
称取1000克聚合度为1000的聚乙烯醇与100克三氧化二硼进行混合;将混合好的原料按照10℃/分钟的升温速度升温至190℃,在该温度恒温加热7小时;接着继续按照25℃/分钟的升温速度升温至500℃,在该温度恒温加热1小时;然后继续按照10℃/分钟的升温速度升温至850℃,在该温度恒温加热10小时;在第三次升温处理以后,将物料按照10℃/分钟的速度降温至25℃粉碎;粉碎处理以后,继续按照15℃/分钟的升温速度升温至1500℃,在该温度恒温加热30小时;最后按照40℃/分钟的降温速度降温至25℃得到碳化硼/碳复合粉体。
实施例6
称取500克聚合度为300的聚乙烯醇与100克硼酸进行混合;将混合好的原料,按照8℃/分钟的升温速度升温至180℃,在该温度恒温加热20小时;接着继续按照20℃/分钟的升温速度升温至500℃,在该温度恒温加热15小时;然后继续按照10℃/分钟的升温速度升温至750℃,在该温度恒温加热20小时;在第三次升温处理以后,将物料按照5℃/分钟的速度降温至25℃粉碎;粉碎处理以后,继续按照25℃/分钟的升温速度升温至1800℃,在该温度恒温加热5小时;最后按照15℃/分钟的降温速度降温至25℃得到碳化硼/碳复合粉体。