一种低温合成碳化硼粉末的制备方法

摘要

一种低温合成碳化硼粉末的制备方法，属于碳化硼陶瓷材料生产领域。本发明通过超声清洗器将一定比例的硼酸、丙三醇、纳米尺寸的活性炭粉末混合；将混合液体放入管式炉中加热，加热温度为450℃～700℃，保温时间为0.5小时～3小时，升温速率为5℃/分钟～10℃/分钟；将加热后所得产物用玛瑙研钵磨碎，形成粒径小于1毫米的颗粒；将颗粒装入带有螺纹的石墨罐中，拧紧石墨罐；将石墨罐在真空或氩气气氛中进行高温处理，升温速率为10℃/分钟～20℃/分钟，升温至1400℃～1500℃下保温1小时～5小时，随炉冷却；将所得产物过筛后，得到粒径小于10微米的碳化硼粉末。整个工艺过程消耗的能量少，制备成本低，更没有引入外来杂质。

说明书

技术领域

本发明属于碳化硼陶瓷材料生产领域，特别涉及一种低温合成制备碳化硼粉末的方法。

背景技术

碳化硼是用途广泛的陶瓷材料，碳化硼最突出的特点就是它具有极高的硬度，其莫氏硬度为9.36，仅次于金刚石和立方氮化硼，此外，碳化硼还具有密度小，熔点高，高温强度高，化学稳定性好，良好的中子吸收能力，极好的热电性能，较低的膨胀系数等特点，因此，碳化硼可以用于制备防弹装甲、切割刀具、特种耐酸碱侵蚀材料、热电偶以及原子反应堆控制和屏敝材料等方面。

目前在工业上碳化硼粉末的制备主要有以下两种：1、采用电弧炉，将硼酸粉末、碳黑和石油焦粉末混合后，在2350℃～2500℃温度下冶炼10～14小时，使之生成块状碳化硼，再将其粉碎成不同粒径的粉末。2、采用碳管炉，使硼酸和碳黑在2000℃～3000℃的高温下反应生成碳化硼粉末，其平均粒径为20～40微米。这两种方法能耗大、生产能力较低、高温下对炉体的损坏严重，尤其是合成的原始粉末平均粒径大，烧结碳化硼的原料还需要大量的破碎处理工序，破碎过程易引入杂质，大大增加了生产成本。近年来，碳化硼粉末的制备出现了自蔓延高温合成法、激光诱导化学气相沉淀法等新方法。自蔓延高温合成法是使用镁作为助熔剂，镁粉、碳黑和硼酸混合后，在1700℃下反应生成碳化硼粉末，所得产物粒径较小，但产物中氧化镁在后续处理中很难去除干净。激光诱导化学气相沉淀法是使用含有碳源和硼源的气体为原料，在激光的强烈辐照条件下，混合气体发生反应得到碳化硼粉末，产物纯度高，粒径小，但成本很高。

如何研究一种低成本、低能耗、外来杂质少的碳化硼粉末制备工艺是国内外学者研究的热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、低能耗、外来杂质少的低温合成碳化硼粉末的方法。

本发明的制备碳化硼粉末的方法，依次包括以下步骤：

(1)将硼酸置于烧杯中，向烧杯中加入丙三醇搅拌均匀，将烧杯放入超声清洗器中，设定加热温度为75℃～95℃，工作频率为40kHz，超声功率为80W～100W，超声振荡15分钟～30分钟后，使硼酸完全溶于丙三醇并形成透明液体，向所述透明液体中加入纳米尺寸的活性炭粉末，并继续超声振荡10分钟～30分钟，制成成分均一的混合液体；

(2)将所述混合液体转移到坩埚中，将坩埚在空气中进行加热，加热温度为450℃～700℃，保温时间为0.5小时～3小时，升温速率为5℃/分钟～10℃/分钟；

(3)将加热后所得产物磨碎，形成粒径小于1毫米的颗粒；

(4)将所述颗粒装入石墨罐中，使石墨罐形成密闭空间；

(5)将所述石墨罐通过真空炉在真空或氩气气氛中进行高温处理，升温速率为10℃/分钟～20℃/分钟，升温至1400℃～1500℃下保温1小时～5小时，随炉冷却；

(6)将所得产物过筛后，得到碳化硼粉末，其粒径小于10微米。

其中，步骤(1)中所述硼酸和丙三醇为分析纯，硼酸与丙三醇之比为0.8g/ml～1.6g/ml。步骤(1)中所述硼酸与纳米尺寸的活性炭质量比为10～20。步骤(2)中所述的坩埚在管式炉中进行加热。步骤(3)中所述的加热后所得产物使用玛瑙研钵磨碎。步骤(4)中所述的石墨罐盖子与罐体之间有螺纹配合。所述的石墨罐螺纹处使用纳米尺寸的活性炭粉末加入无水乙醇搅拌均匀配成的浆料涂敷，拧紧石墨罐，形成密闭空间。所述的纳米尺寸的活性炭的粒度为10纳米～40纳米。

本发明是利用丙三醇作为溶剂，先将硼酸溶于丙三醇制成相应的溶液再加入纳米尺寸的活性炭，在超声波的作用下制成均一的溶液，以使硼酸和纳米尺寸的活性炭混合均匀。然后在空气中低温加热，使溶液转化多孔黑灰色固体，XRD结果显示其成分为氧化硼和碳，其中的碳是由纳米尺寸的活性炭和丙三醇不完全燃烧残余的碳共同组成的。

将低温加热后的产物磨碎后置入密闭的石墨罐，高温处理，将发生如下反应：

7C+2B₂O₃→6CO↑+B₄C

由于氧化硼在高温下很易挥发，如果将其直接置入真空或氩气气氛中，氧化硼将大量挥发造成硼原料损失，并且会使氧化硼和碳在未反应前就分离，造成反应无法进行，所以本发明使用密闭的石墨罐来抑制氧化硼的高温挥发。由于一定温度下，氧化硼的蒸气压是一定的，将反应物密封在一定体积的空间里，少量氧化硼的气化就可以达到饱和蒸气压，从而抑制氧化硼的进一步气化。而纳米尺寸的活性炭与逐步气化的氧化硼具有很大的反应接触面积、很高的反应活性，所以在1400℃下就可以生成碳化硼粉末，反应温度远远低于工业生产温度。石墨罐在高温非氧化气氛中使用不会损坏，因而石墨罐可以反复使用。

与工业制备碳化硼的方法相比，本发明工艺过程所消耗的能量少，制备成本低，而且没有引入外来杂质，杂质只是微量的未反应的碳，是一种新型低温合成碳化硼的工艺方法。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是实施例1的X射线衍射图案；图2是实施例1的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1：

该实施例中，将24克硼酸置于烧杯中，向烧杯中加入20毫升丙三醇并使用玻璃棒搅拌均匀，将装有所述液体的烧杯放入超声清洗器中，设定加热温度为85℃，工作频率为40kHz，超声功率为100W，超声振荡20分钟后，使硼酸完全溶于丙三醇并形成透明液体，向所述透明液体中加入1.6克24纳米的活性炭粉末，并继续超声振荡15分钟，制成成分均一的混合液体。

将所述混合液体转移到坩埚中，将所述坩埚放入管式炉中在空气中进行加热，加热温度为550℃，保温时间为0.5小时，升温速率为5℃/分钟。

将加热后所得产物用玛瑙研钵磨碎，形成粒径小于1毫米的颗粒。

将所述颗粒装入石墨罐中，所述石墨罐的盖子与罐体之间有螺纹配合，可以形成密闭空间。

将纳米尺寸的活性炭粉末加入无水乙醇搅拌均匀配成浆料，将所述浆料涂敷于所述石墨罐螺纹处，拧紧石墨罐。

将所述石墨罐装入真空炉中，在真空或氩气气氛中对其进行高温处理，升温速率为10℃/分钟，升温至1400℃下保温2小时，随炉冷却。

将所得产物过筛后，得到灰黑色粉末，对得到的粉末进行X射线衍射实验。如图1所示，产物基本上是碳化硼相，只含有微量的碳。采用扫描电镜检测碳化硼粉末时，证实该粉末含有尺寸为2微米～10微米的颗粒，平均粒度约为6微米，如图2所示。

实施例2：

该实施例中，将16克硼酸置于烧杯中，向烧杯中加入10毫升丙三醇并使用玻璃棒搅拌均匀，将装有所述液体的烧杯放入超声清洗器中，设定加热温度为95℃，工作频率为40kHz，超声功率为90W，超声振荡30分钟后，使硼酸完全溶于丙三醇并形成透明液体，向所述透明液体中加入1.6克24纳米的活性炭粉末，并继续超声振荡30分钟，制成成分均一的混合液体。

将所述混合液体转移到坩埚中，将所述坩埚放入管式炉中在空气中进行加热，加热温度为450℃，保温时间为2小时，升温速率为5℃/分钟。

将加热后所得产物用玛瑙研钵磨碎，形成粒径小于1毫米的颗粒。

将所述颗粒装入石墨罐中，所述石墨罐盖子与罐体之间有螺纹配合，可以形成密闭空间。

将纳米尺寸的活性炭粉末加入无水乙醇搅拌均匀配成浆料，将所述浆料涂敷于所述石墨罐螺纹处，拧紧石墨罐。

将所述石墨罐装入真空炉中，在真空或氩气气氛中对其进行高温处理，升温速率为20℃/分钟，升温至1400℃下保温5小时，随炉冷却。

将所得产物过筛后，得到灰黑色粉末，产物基本上是碳化硼相。平均粒度约为8微米。

实施例3：

该实施例中，将24克硼酸置于烧杯中，向烧杯中加入30毫升丙三醇并使用玻璃棒搅拌均匀，将装有所述液体的烧杯放入超声清洗器中，设定加热温度为75℃，工作频率为40kHz，超声功率为80W，超声振荡15分钟后，使硼酸完全溶于丙三醇并形成透明液体，向所述透明液体中加入1.2克24纳米的活性炭粉末，并继续超声振荡10分钟，制成成分均一的混合液体。

将所述混合液体转移到坩埚中，将所述坩埚放入管式炉中在空气中进行加热，加热温度为650℃，保温时间为3小时，升温速率为8℃/分钟。

将加热后所得产物用玛瑙研钵磨碎，形成粒径小于1毫米的颗粒。

将所述颗粒装入石墨罐中，所述石墨罐的盖子与罐体之间有螺纹配合，可以形成密闭空间。

将纳米尺寸的活性炭粉末加入无水乙醇搅拌均匀配成浆料，将所述浆料涂敷于所述石墨罐螺纹处，拧紧石墨罐。

将所述石墨罐装入真空炉中，在真空或氩气气氛中对其进行高温处理，升温速率为15℃/分钟，升温至1500℃下保温1小时，随炉冷却。

将所得产物过筛后，得到灰黑色粉末，产物基本上是碳化硼相。平均粒度约为10微米。

尽管已参照优选实施例对本发明进行了介绍，但是，应该意识到：只要不偏离本发明的范围和精神，本领域的专业人员可以对本发明进行改变和修正，而且，这种改变或修正均处于本发明的范围之内。