Cn的合成方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高温陶瓷材料领域，具体涉及一种以氧化锆和炭黑为原料在高温氮气条件下反应合成Zr2CN的方法。
【背景技术】
[0002]一些过渡金属元素的碳化物、氮化物和氮碳化物，因其具有许多热学、力学和化学等方面的优良特性而获得广泛关注。其中，氮化锆(ZrN)材料、氮碳化锆(ZrC，N)系复合材料及其薄膜，是近年来的研究热点之一。
[0003]在金属Zr的氮化物中ZrN是唯一稳定的物相，因其具有金属能带结构而呈现黄金色泽。ZrN具有许多优良的性能，如高熔点、高热导率、低蠕变、抗侵蚀、高化学稳定、极高硬度、极耐磨损、极低电阻率、抗氧化以及电光特性等，因而国内外学者对其应用进行了深入研究并取得了丰硕成果。目前，ZrN薄膜可用作各种切削工具和机零部件的硬质耐磨保护层，可用作太阳能的反光层，可用作装饰材料；ZrN陶瓷可用作加工铸铁、碳素热处理钢、硬质钢以及硅铝合金等硬质合金材料的切削工具，可用作各种电子电工制品，可用作高温环境使用的内燃机、燃气轮机以及强腐蚀性环境下的机零部件，可用作特种耐磨截止阀以及功能性耐火材料等。另外，由于ZrN具有极低的电阻率和良好的耐热性，使其在激光器和超导器方面有着重要的应用。显然，ZrN薄膜和ZrN粉体的制备与合成技术是其应用基础。目前，ZrN薄膜的制备可采用电弧沉积、直流反应磁控溅射、脉冲激光沉积和离子束辅助沉积等方法；ZrN粉体的合成可采用金属Zr直接氮化、氯化锆气相沉积、ZrH2脱氢氮化和自蔓延燃烧等方法。
[0004]最新研究结果表明，由Zr-基氮化物薄膜引入第三种元素C所制备出的ZrCN复合薄膜，可使其性能获得进一步提高。该薄膜可提高器件的疲劳寿命和机械性能，而且将其涂布在侵入性手术刀具上，与人体组织具有良好的生物相容性。对ZrCN复合薄膜所进行的XRD分析结果显示，除了含有ZrN和ZrC等二元化合物外，其中还形成了三元化合物Zr2CN。特别引人注目的是，Zr2CN具有比ZrN和ZrC更高的显微硬度。
[0005]然而，目前人们对Zr2CN材料的认知，还仅限于由离子溅射方法所制备的ZrCN复合薄膜及其对薄膜性能的贡献，有关Zr2CN的合成、Zr2CN陶瓷的制备与性能等方面的研究未见报道。
[0006]本发明的目的在于克服对Zr2CN材料研究和认知上的不足，提供一种合成Zr2CN的方法，为Zr2CN材料的应用研究奠定基础。
【发明内容】
[0007]—种Zr2CN的合成方法，其特征在于所采用的原料以及原料的摩尔百分比为:氧化锆20-40mOl%、炭黑60-80mOl%。其合成工艺包括以下步骤:坯料制备；坯体成型；坯体干燥；高温煅烧。
[0008]该Zr2CN合成所用氧化锆为:单斜氧化锆(m_Zr02);单斜氧化锆的粒径为〈74 μ m,单斜氧化锆的纯度为ZrO2彡99%。
[0009]该Zr2CN合成所用炭黑为:纳米炭黑；炭黑粒径为〈lOOnm，炭黑纯度为挥发份〈10%。
[0010]该Zr2CN合成所用坯料的制备方法为:按预定的摩尔百分比，将氧化锆细粉和炭黑准确称量，干混2?4分钟后加入适量的无水乙醇，湿法混合4?6小时后获得坯料料浆；经抽滤脱除坯料料浆中的无水乙醇，获得坯料混合粉；在不断翻搅混合的状态下向坯料混合粉中逐滴加入质量浓度2%的聚乙烯醇溶液(PVA) 10%?13% (质量百分数，外加)，继续翻搅混合10?20分钟后进行密封困料，经3?5小时困料后获得可供压力成型的坯料。
[0011]该Zr2CN合成所用坯体的成型方法为:采用液压机将上述混合均匀并经困料的坯料成型为坯体，坯体成型压强为彡50MPa。
[0012]该Zr2CN合成所用坯体的干燥方法为:将成型后坯体在60?110°C条件下干燥4?6小时，获得供烧成的干燥坯体。
[0013]该Zr2CN合成所用高温煅烧方法为:将干燥后坯体置于高温气氛电炉中的均温带，密封电炉并进行抽真空操作，然后通入高纯氮气(氮气纯度为:N2>99.99%)，在动态氮气气氛下，按室温?1000°C为5°C / minUOOO?1700°C为3°C / min的升温制度进行加热升温，经1550?1700°C恒温3?6小时高温煅烧后，随炉冷却获得Zr2CN合成材料。
【附图说明】
[0014]图1是【具体实施方式】实施例1得到的Zr2CN合成材料的XRD图；
[0015]图2是【具体实施方式】实施例2得到的Zr2CN合成材料的XRD图；
[0016]图3是【具体实施方式】实施例3得到的Zr2CN合成材料的XRD图；
[0017]图4是【具体实施方式】实施例3得到的Zr2CN合成材料的SEM图；
[0018]图5是【具体实施方式】实施例3得到的Zr2CN合成材料的SEM-EDS图。
【具体实施方式】
[0019]实施例1
[0020]配料组成:m-Zr02粉 33.3mol % 2,炭黑粉 66.7mol %。
[0021]按预定的摩尔百分比，将氧化锆细粉和炭黑准确称量，干混3分钟后加入适量的无水乙醇，湿法混合5小时后获得坯料料浆；经抽滤脱除坯料料浆的中无水乙醇，获得坯料混合粉；在不断翻搅混合的状态下向坯料混合粉中逐滴加入质量浓度2%的聚乙烯醇溶液(PVA) 12% (质量百分数，外加)，继续翻搅混合15分钟后进行密封困料，经5小时困料后获得可供压力成型的坯料；采用60MPa的压力于液压机上将坯料成型为坯体；将成型后坯体于100°C条件下干燥5小时，获得供煅烧的干燥坯体；将干燥后坯体置于高温气氛电炉中的均温带，密封电炉并进行抽真空操作，然后通入高纯氮气(氮气纯度为:N2>99.99% )，在动态氮气气氛下，按室温?1000°C为5°C / min、1000?1600°C为3°C / min的升温制度进行加热升温，经1600°C恒温4小时高温煅烧后，随炉冷却获得Zr2CN合成材料。
[0022]本实施例合成的Zr2CN材料中Zr2CN含量约为90.8%。
[0023]实施例2
[0024]配料组成:m_Zr02粉 25mol % 2,炭黑粉 75mol %。
[0025]按预定的质量百分比，将氧化锆细粉和炭黑准确称量，干混3分钟后加入适量的无水乙醇，湿法混合5小时后获得坯料料浆；经抽滤脱除坯料料浆中无水乙醇，获得坯料混合粉；在不断翻搅混合的状态下向坯料混合粉中逐滴加入质量浓度2%的聚乙烯醇溶液(PVA) 12% (质量百分数，外加)，继续翻搅混合15分钟后进行密封困料，经5小时困料后获得可供压力成型的坯料；采用60MPa的压力于液压机上将坯料成型为坯体；将成型后坯体于100°C条件下干燥5小时，获得供烧成的干燥坯体；将干燥后坯体置于高温气氛电炉中的均温带，密封电炉并进行抽真空操作，然后通入高纯氮气(氮气纯度为:N2>99.99% )，在动态氮气气氛下，按室温?1000°C为5°C / min、1000?1650°C为3°C / min的升温制度进行加热升温，经1650°C恒温5小时高温煅烧，随炉冷却后获得Zr2CN合成材料。
[0026]本实施例合成的Zr2CN材料中Zr2CN含量约为99.8%。
[0027]实施例3
[0028]配料组成:m_Zr02粉 20mol % 2,炭黑粉 80mol %。
[0029]按预定的质量百分比，将氧化锆细粉和炭黑准确称量，干混3分钟后加入适量的无水乙醇，湿法混合5小时后获得坯料料浆；经抽滤脱除坯料料浆中无水乙醇，获得坯料混合粉；在不断翻搅混合的状态下向坯料混合粉中逐滴加入质量浓度2%的聚乙烯醇溶液(PVA) 12% (质量百分数，外加)，继续翻搅混合15分钟后进行密封困料，经5小时困料后获得可供压力成型的坯料；采用60MPa的压力于液压机上将坯料成型为坯体；将成型后坯体于100°C条件下干燥5小时，获得供烧成的干燥坯体；将干燥后坯体置于高温气氛电炉中的均温带，密封电炉并进行抽真空操作，然后通入高纯氮气(氮气纯度为:N2>99.99% )，在动态氮气气氛下，按室温?1000°C为5°C / min、1000?1650°C为3°C / min的升温制度进行加热升温，经1650°C恒温5小时高温煅烧，随炉冷却后获得Zr2CN合成材料。
[0030]本实施例合成的Zr2CN材料中Zr2CN含量约为100%。
【主权项】
1.一种Zr2CN的合成方法，其特征在于所采用的原料以及原料的摩尔百分比为:氧化锆20-40mOl%、炭黑60-80mOl%。其合成工艺包括以下步骤:坯料制备；坯体成型；坯体干燥；高温煅烧。
2.如权利要求1所述的一种Zr2CN的合成方法，其特征在于所用氧化锆为:粒径〈74 μ m、纯度为ZrO2彡99%的单斜氧化锆(H1-ZrO2)。
3.如权利要求1所述的一种Zr2CN的合成方法，其特征在于所用炭黑为:粒径〈lOOnm、纯度为挥发份〈10%的纳米炭黑。
4.如权利要求1所述的一种Zr2CN的合成方法，其特征在于所用坯料的制备方法为:按预定的摩尔百分比，将氧化锆细粉和炭黑准确称量，干混2?4分钟后加入适量的无水乙醇，湿法混合4?6小时后获得坯料料浆；经抽滤脱除坯料料浆中无水乙醇，获得坯料混合粉；在不断翻搅混合的状态下向坯料混合粉中逐滴加入质量浓度2%的聚乙烯醇溶液(PVA) 10-13% (质量百分数，外加)，继续翻搅混合10?20分钟后进行密封困料，经3?5小时困料后获得可供压力成型的坯料。
5.如权利要求1所述的一种Zr2CN的合成方法，其特征在于所用坯体的成型方法为:采用液压机将上述混合均匀并经困料的坯料成型为坯体，坯体成型压强为> 50MPa。
6.如权利要求1所述的一种Zr2CN的合成方法，其特征在于所用坯体的干燥方法为:将成型后坯体在60?110°C条件下干燥4?6小时，获得供烧成的干燥坯体。
7.如权利要求1所述的一种Zr2CN的合成方法，其特征在于所用高温煅烧方法为:将干燥后坯体置于高温气氛电炉中的均温带，密封电炉并进行抽真空操作，然后通入高纯氮气(氮气纯度为:N2>99.99% )，在动态氮气气氛下，按室温?1000°C为5°C / min、1000?1700°C为3°C / min的升温制度进行加热升温，经1550?1700°C恒温3?6小时高温煅烧后，随炉冷却获得Zr2CN合成材料。所用高温气氛电炉为:管式高温气氛电炉、或箱式高温气氛电炉。
【专利摘要】本发明涉及一种Zr2CN的合成方法，属于高温陶瓷材料领域。为了对Zr2CN材料的性能及其应用进行深入研究，克服对Zr2CN认知还仅限于由离子溅射方法所制备的ZrCN复合薄膜及其对薄膜性能的贡献问题，提供一种Zr2CN的合成方法。该方法以单斜氧化锆和炭黑为原料，经过配料、混合、成型、干燥及在高纯氮气(氮气纯度为：N2>99.99％)条件下煅烧获得Zr2CN合成材料。本发明可合成出纯度较高的Zr2CN材料，在流动的高纯氮气气氛及1650℃恒温5小时的煅烧条件下，当单斜氧化锆与炭黑的摩尔比为1：4时，ZrO2的转化反应趋于完全，可合成出含量约为100％的Zr2CN。
【IPC分类】C01C3-08
【公开号】CN104556149
【申请号】CN201310513108
【发明人】王榕林, 王力任, 卜景龙, 张利芳, 王志发
【申请人】河北联合大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月22日