原料对自蔓延高温合成ZrB2粉体的影响

摘要

本文以金属镁粉、单斜氧化锆（ZrO2）、氧化硼（B2O3）、氯化镁（MgCl2）、无水硼砂（Na2B4O7）为原料，在Mg-ZrO2-B2O3体系最佳配比的基础上，研究了Mg-ZrO2-B2O3-MgCl2体系和Mg-ZrO2-B2O3-Na2B4O7体系自蔓延高温合成高纯ZrB2粉体的最佳原料配比及反应合成机理。利用FactSage软件计算了各原料体系自蔓延高温合成ZrB2粉体的热力学规律。通过X射线衍射仪（XRD）及可变真空热度场发射扫描电子显微镜（FESEM）-能谱能谱仪（EDS）分析产物物相组成，和产物的显微结构并进行化学成分分析。采用综合热分析（DSC-TG）探究了Mg-ZrO2-B2O3-Na2B4O7体系合成ZrB2的反应机理。
　　结果表明，Mg-ZrO2-B2O3体系的绝热燃烧温度为3097.91K，随着MgCl2添加量的增加，Mg-ZrO2-B2O3-MgCl2体系的绝热燃烧温度随之降低，但在添加量小于41wt.％之前，Mg-ZrO2-B2O3-MgCl2体系的绝热燃烧温度均大于1800K，符合Merzhanov提出的经验判据；在Mg-ZrO2-B2O3体系中，选用Na2B4O7逐步替换B2O3，与B2O3作为复合硼源时，Mg-ZrO2-B2O3-Na2B4O7体系的绝热燃烧温度随Na2B4O7替换量的增加而降低，替换量超过72wt.%，体系绝热燃烧温度小于1800K，不符合Merzhanov提出的自持反应的经验判据；各体系内发生合成ZrB2反应的吉布斯自由能及反应焓在设定温度范围内均小于0。
　　在ZrO2-Mg-B2O3体系中，加入过量的Mg、B2O3可有效提高产物中ZrB2的纯度，当过量Mg、B2O3分别为40wt.%、30wt.%时，产物中ZrB2的纯度最高。在此配比的基础上加入MgCl2可有效地降低产物的晶粒尺寸，但对于ZrB2纯度的提高，效果不是非常显著。
　　在ZrO2-Mg-B2O3体系最佳配比的基础之上，选用Na2B4O7逐步替换B2O3，当Na2B4O7的替换率达到15wt.%时，产物中的ZrB2的纯度最高，在ZrO2-Mg-B2O3-Na2B4O7的体系中，Na2B4O7不仅有效地减小了ZrB2的晶粒尺寸，还为ZrB2的合成提供硼源。随着Na2B4O7的增加，体系绝热燃烧温度随之降低，且产物的晶粒尺寸也有显著的减小。综合热分析的结果显示：Mg-ZrO2-B2O3-Na2B4O7体系的开始反应温度为625℃，并且在625℃-700℃之间存在较宽的放热峰，此体系发生强烈的放热反应，释放的热量可供Mg及Na2B4O7熔化。体系中存在大量的液相量，利于ZrO2转化为ZrB2，且生成的ZrB2晶粒在从液相中析出的过程中被熔盐Na2B4O7包裹，从而限制了ZrB2晶粒的生长。

目录

声明

1 绪论

1.1引言

1.2 ZrB2陶瓷材料简介

1.3自蔓延高温合成技术（SHS）

1.4熔盐法

1.5 选题意义及研究内容

2 实验原料和方法

2.1 实验原料

2.2 实验原料配比

2.3 实验设备

2.4 实验过程

2.5 性能检测与表征

3 不同原料体系自蔓延高温合成ZrB2粉体的热力学分析

3.1 引言

3.2 ZrO2-Mg-B2O3-MgCl2体系的热力学计算

3.3 ZrO2-Mg-B2O3-Na2B4O7体系的热力学计算

3.4 本章小结

4 ZrO2-Mg-B2O3-MgCl2体系自蔓延高温合成ZrB2粉体的研究

4.1引言

4.2 实验结果与讨论

4.3 本章小结

5 ZrO2-Mg-B2O3-Na2B4O7体系自蔓延高温合成ZrB2粉体的研究

5.1引言

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

6 结论

参考文献

主要符号表

攻读硕士期间发表的论文

致谢