一种含钪三元层状碳化物陶瓷材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及材料领域，具体涉及一种含钪三元层状碳化物陶瓷材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.钪(sc)是一种典型的稀散元素，在地壳中的平均丰度为36ppm，全球钪储量大约为200万吨，其中我国钪资源储量约65万吨，占全球资源的1/3。基于如此大的储量，我国对于开发含钪化合物的尖端应用有天然的优势。
3.钪目前主要以三种形式存在，分别为单质、氧化物及卤化物。单质形态的钪通常用于添加剂，微量的钪添加可以大幅度优化铝合金的力学性质，是目前最主要的应用之一；钪氧化物的研究相比于单质形态更加广泛，可以应用在合金、催化、激光器等方向，有很好的应用前景；相比于其他两种，钪卤化物应用比较少，主要集中在钪-钠金属卤化物灯。除了这三种主要的应用形式，关于钪其他的应用也在不断地探索中。钪元素有很好地抗中子辐射的能力，在核反应堆中可以吸收中子形成同位素46sc，但是在防辐射方面钪元素的应用还非常局限。
4.因此扩展钪元素的应用对于材料领域具有重要的意义。


技术实现要素：

5.针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种含钪三元层状碳化物陶瓷材料及其制备方法和应用，扩展钪元素的应用。
6.本发明是通过以下技术方案来实现的：
7.一种含钪三元层状碳化物陶瓷材料，含钪三元层状碳化物陶瓷材料的化学式为sc2pbc，空间群为p63/mmc，晶格参数为sc原子位于(1/3，2/3，0.57958)，pb原子位于(1/3，2/3，1/4)，c原子位于(0，0，0)。
8.上述含钪三元层状碳化物陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)混合：将sc粉、pb粉和c粉搅拌混合，得到混合粉体；
10.(2)烧结：将步骤(1)所得混合粉体进行烧结；
11.(3)冷却：将步骤(2)烧结过后的混合粉体冷却至室温，并磨去表面碳化层，得到含钪三元层状碳化物陶瓷材料。
12.进一步地，步骤(1)中sc粉的粒径为150～250目，pb粉的粒径为500～800目，c粉的粒径为300～1500目。
13.进一步地，步骤(1)中sc粉、pb粉和c粉的摩尔比为2：(0.9～1.3)：1，在惰性气体的保护下进行混合，优选为氩气。
14.采用进一步技术方案的有益效果为：
15.sc粉、pb粉和c粉选择以上的粒径和比例，有利于最后形成sc2pbc的微结构，在惰性气体保护下进行混合，可以将空气排出，避免原料出现氧化的现象。
16.进一步地，步骤(1)中混合时间为10～14h，优选为12h，混合速度为40～80rpm，优选为70rpm。
17.采用上述进一步技方案的有益效果为：
18.上述进一步技术方案可以使得粉体混合均匀，使烧结出来的陶瓷材料质地均匀。
19.进一步地，步骤(2)中以40～70℃/s的升温速率升温至650～750℃后，再以10～20℃/s的升温速度升温至1100～1300℃，保温0～60min，优选为以50℃/s的升温速率升温至700℃后，再以10℃/s的升温速度升温至1200℃，保温50min。
20.采用上述进一步技术方案的有益效果为：
21.第一段升温，随着温度升高，原子扩散加剧，孔隙缩小，粉体之间由点接触转变为面接触，粉体之间的孔隙缩小，连通孔隙变得封闭，并孤立分布；第二阶段升温使得小颗粒率先出现晶界，晶界上的物质不断扩散到孔隙处，逐渐使孔隙消除，晶界移动，晶粒长大。
22.进一步地，步骤(2)中烧结压力为20～40mpa，优选为20mpa。
23.采用上述进一步技术方案的有益效果为：
24.烧结压力为20～40mpa的作用是促进高温作用下晶粒定向和致密化过程，形成sc2pbc的晶体结构。
25.上述含钪三元层状碳化物陶瓷材料在防辐射方面的应用。
26.采用上述技术方案，本发明的有益效果为：
27.本发明方法引入了具有抗α射线、γ射线和x射线能力的铅元素，铅元素的引入不仅可以隔绝射线，还能够减慢快中子的速度，被铅减慢了的快中子将被钪元素吸收；引入了原子序数比较低的碳元素，可以抵抗β射线的韧致辐射。本发明制备的含钪三元层状碳化物陶瓷材料具有贝壳形的层状结构，具有良好的防辐射性能，且所用原料易得，制备方法易行，所用设备简单，为设计综合防辐射材料提供了全新的思路，拓宽了钪元素的应用范围。
附图说明
28.图1为含钪三元层状化合物sc2pbc陶瓷材料的x射线衍射图谱(a)和sc2pbc陶瓷材料的理论x射线衍射图谱(b)的对比图。
29.图2为含钪三元层状化合物sc2pbc陶瓷材料的微观形貌图(a)和x射线能量色谱图(b)。
30.图3为含钪三元层状化合物sc2pbc陶瓷材料的晶格示意图(a)、(0002)面的原子排布图(b)和理论衍射斑点图(c)以及(1120)面的原子排布图(d)和理论斑点衍射斑点图(e)。
31.图4为含钪三元层状化合物sc2pbc陶瓷材料的rietveld拟合图。
具体实施方式
32.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
33.实施例1
34.一种含钪三元层状碳化物陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
35.(1)将sc粉(99.9％，200目)、pb粉(99.99％，500目)和碳粉(99.95％，500目)按摩尔比2：1：1混合，以氩气保护，并用滚筒式混料机混料12h，得混合粉体；
36.(2)将混合粉体取15g装入到垫有石墨纸的石墨模具中，套上石墨毡，装载到放电
等离子炉中，于20mpa下以50℃/min的升温速率升至700℃，随后以10℃/min升温至1200℃，保温50min后随炉冷却；磨去表面碳化物层后，即得目标块体。
37.实施例2
38.一种含钪三元层状碳化物陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
39.(1)将sc粉(99.9％，200目)、pb粉(99.99％，500目)和碳粉(99.95％，300目)按摩尔比2：1.1：1混合，以氩气保护，并用滚筒式混料机混料14h，得混合粉体；
40.(2)将混合粉体取15g装入到垫有石墨纸的石墨模具中，套上石墨毡，装载到放电等离子炉中，于20mpa下以40℃/s的升温速率升温至700℃，随后以20℃/min升温至1100℃，保温20min后随炉冷却；磨去表面碳化物层后，即得目标块体。
41.实施例3
42.一种含钪三元层状碳化物陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
43.(1)将sc粉(99.9％，200目)、pb粉(99.99％，800目)和碳粉(99.95％，1500目)按摩尔比2：0.9：1混合，以氩气保护，并用滚筒式混料机混料10h，得混合粉体；
44.(2)将混合粉体取15g装入到垫有石墨纸的石墨模具中，套上石墨毡，装载到放电等离子炉中，于20mpa下以70℃/s的升温速率升温至700℃，随后以15℃/min升温至1300℃，其后随炉冷却；磨去表面碳化物层后，即得目标块体。
45.实验例1
46.(1)将实施例1得到的sc2pbc陶瓷材料块体使用x射线衍射(xrd)进行物相检测，并对应material studio计算出的理论特征峰，标出了新相的特征峰，如图1所示。
47.根据图1所示陶瓷材料粉体的x射线衍射图谱(a)，实施例1所制备sc2pbc陶瓷材料块体x射线衍射具有一系列未知的峰，且这些未知峰的峰位与sc2pbc的理论x射线衍射图谱(b)高度一致。
48.(2)将实施例1得到的sc2pbc陶瓷材料块体使用扫描电子显微镜结合能谱仪(sem/eds)进行微观形貌观测，如图2所示。
49.根据图2所示陶瓷材料粉体的微观形貌图，实施例1所制备的粉体sc2pbc具有典型的层状特征，且白色十字位置x射线能量色谱图(b)结果显示sc：pb＝2：0.95，在误差允许的范围内。
50.(3)将步骤(1)得到的xrd图谱进行识别，结合material studio计算出的理论晶体结构，使用crystal maker计算出了sc2pbc理论的衍射斑点，如图3所示。
51.根据图3所示实施例1建立的sc2pbc陶瓷材料的晶格(a)，其中(0002)面的原子排布图(b)和理论衍射斑点图(c)都显示出其属于六方晶系，面的原子排布图(d)和理论衍射斑点图(e)显示出典型的层状排布，sc与pb原子沿[0001]方向呈ababab方式有规律堆叠。
[0052]
(4)将步骤(1)得到的xrd图谱与优化后的晶格模型作为输入，在full-prof软件中进行rietveld拟合，得到sc2pbc陶瓷材料的rietveld拟合图，如图4所示。确定陶瓷材料粉体的晶格常数、原子位置，如表1所示，以及不同晶面对应计算与实验的2θ、d、i值，如表2所示。
[0053]
表1sc2pbc陶瓷材料的晶格常数和原子位置
[0054][0055][0056]
表2陶瓷材料的不同晶面对应计算与实验的2θ、d、i值
[0057][0058]
根据图4所示，sc2pbc陶瓷材料块体的rietveld拟合图，图中由下到上依次代表difference、scc、sc3pbc、和sc2pbc，最上一层为raw data与calculate line重叠，sc2pbc样
品的纯度为87.40wt％(其中含有11.69wt％sc3pbc，0.91wt％scc)，误差值为r-p＝13.90％和r-wp＝18.40％。
[0059]
实验例1
[0060]
对实施例1-4所制得的含钪三元层状碳化物陶瓷材料的屏蔽γ射线和中子射线性能测试，采用蒙卡软件mcnp程序进行模拟测试，结果如表3所示。
[0061]
表3含钪三元层状碳化物陶瓷材料屏蔽γ射线和中子射线性能
[0062][0063]
从表3中的数据可知，本发明所制备的含钪三元层状碳化物陶瓷材料具有良好的屏蔽性能，吸收γ射线和中子射线能力较强。
[0064]
本发明涉及一种含钪三元层状碳化物陶瓷材料sc2pbc及其制备方法，采用本发明方法成功制备出新的sc2pbc陶瓷材料，具有较好的防辐射能力，并给出了sc2pbc的晶格结构参数和x射线衍射数据，提供了一种全新的设计综合防辐射材料的思路，拓宽了钪元素的应用范围。