无烧结助剂高纯高致密度二硼化锆陶瓷致密体制备方法

摘要

本发明为无烧结助剂高纯高致密度二硼化锆陶瓷致密体制备方法，涉及一种二硼化锆陶瓷致密体的制备方法。目的是解决现有技术中纯相ZrB

说明书

技术领域

本发明涉及一种二硼化锆陶瓷致密体的制备方法，特别是涉及一种在无烧结助剂的情况下制备高纯高致密度二硼化锆的方法。 

背景技术

ZrB₂具有极高的熔点、强度、硬度、良好的导电、导热性能，化学稳定性好，热膨胀系数低，阻燃耐腐蚀及轻质等优点，越来越多地应用于高温结构陶瓷材料，耐火材料、复合材料以及核控制材料等领域。 

ZrB₂基陶瓷材料的研究可以追溯到1960’s年代。Manlab最早开始了ZrB₂基陶瓷材料的研究,研究对象主要是ZrB₂和HfB2及其复合材料,其采用的热压工艺研发成功的HfB₂/20vol%SiC复合材料能基本满足高温氧化环境下持续使用的要求。到1990’s年代,NASA的Ames实验室也开始了相关研究,系统开展了热分析、材料研发和电弧加热器测试等一系列的研究工作,并于90年代进行了两次超音速飞行试验。近30年来，美国西屋公司利用ZrB₂优良的捕集中子的特殊性质，一直为AP1000型核电站进行ZrB₂涂覆燃料棒的试验验证，ZrB₂作为核燃料可燃毒物涂层的优越性引起了材料学家的广泛关注。 

由于ZrB₂陶瓷材料具有极强的共价键,较低的体积扩散速率以及产物容易挥发等造成其烧结致密化困难，纯相ZrB₂陶瓷的常压烧结致密化温度一般要高于2200℃以上。目前常用的烧结方法包括热压烧结、反应热压烧结、放电等离子烧结(SPS)以及无压烧结等。从近期的研究进展看，SPS烧结大多用于实验室条件下对高致密度材料性能的研究,而工艺简单,可制备复杂样品的常压烧结致密化工艺一直未能获得理想密度ZrB₂陶瓷致密体。实际应用的ZrB₂材料大多通过热压烧结致密化，为了降低热压烧结温度,通常需要加入各种合适的烧结助剂,如TiB₂,Ni可以将温度降低到1600℃,耐火金属添加物如Mo，W等同样可以提高ZrB₂致密化。 

但是，若把ZrB₂用作核控制材料或高质量磁控溅射靶材，则需要从材料学角度对所制备ZrB₂陶瓷提出更为苛刻要求。首先是材料的纯度，因为ZrB₂材料的纯度将直接影响溅射薄膜的均匀性和批量产品的质量一致性；其次为靶材的致密度，通常靶材的密度不仅影响溅射时的沉积速率、溅射膜粒子的密度和放电现象等，还影响着溅射薄膜的电学和光学性能。此外，提高靶材的致密度和强度能使其更好的承受溅射过程中的热应力。再次便是靶材的成分与结构均匀性。为了保证溅射薄膜的均匀性，尤其在复杂的大面积膜制备方面，必须做到靶材成分与结构均匀性，这也是考察陶瓷靶材质量的重要指标之一。即现有技术中，在无烧结助剂的情况下，无法制作出高纯度且高致密度的二硼化锆陶瓷致密体。 

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中纯相ZrB₂陶瓷粉末难以烧结致密化的问题，提供一种无烧结助剂高纯高致密度二硼化锆陶瓷致密体制备方法。本方法在不引入烧结助剂的情况下，通过研磨细化制备高纯、高活性、亚微米级ZrB₂粉末，提高ZrB₂陶瓷粉末的烧结活性，并进一步采用分步烧结法制备高纯度、高致密度、成分与组织均匀的ZrB₂陶瓷致密体。 

本发明的目的是通过下列技术方案实现的：一种无烧结助剂高纯高致密度二硼化锆陶瓷致密体制备方法，包括下列步骤： 

a、将纯度为99.5%的二硼化锆粉末、二氧化锆磨球以及研磨分散介质按1～2∶8～10∶3～4的质量比混合后放入二氧化锆研磨罐中，并在二氧化锆研磨罐中注入Ar气作为研磨过程中的保护气氛；

b、将上述密封好的二氧化锆研磨罐置入行星式研磨机上进行湿法研磨，研磨后用100目金属网筛将二氧化锆磨球和二硼化锆浆料分离，二硼化锆浆料经沉淀、干燥后得到高纯、高活性的亚微米级ZrB₂粉末；

c、将上述ZrB₂粉末在真空气氛中进行热压烧结，并将烧结体冷却至室温即获得高纯高致密度的二硼化锆陶瓷致密体。 

在上述方案中，所述步骤c中的热压烧结为两步热压烧结，在第一步热压烧结中的保温平台的温度设置在200℃～300℃，真空度为2～5Pa，保温30min；然后第二步热压烧结的烧结温度平台的温度设置在1850℃～2000℃，真空度为2Pa～5Pa，烧结压力为20MPa～50MPa，保温时间为40～90min。 

在上述方案中，所述步骤b中，湿法研磨时料罐的转速为200～320r/min，研磨时间为18～24小时。 

在上述方案中，所述步骤a中纯度为99.5%的二硼化锆粉末的平均粒度为2μm～20μm，所述步骤b中亚微米级ZrB₂粉末的粒度小于1μm，纯度仍保持为99.5%。 

从本发明的结构特征可以看出，本发明的优点在于： 

本发明将商用ZrB₂粉体进行细化和活化，在无烧结助剂条件下通过独特的烧结工艺制备高纯、高致密度ZrB₂陶瓷致密体，由于该方法制备的ZrB₂粉体活性大，在不添加烧结助剂的情况下，不仅将单相ZrB₂粉体烧结温度（2200℃）降低了200℃-350℃，而且特有的两步烧结工艺使高纯ZrB₂烧结体致密度得到了明显提高；本发明在保证了粉体原料在细化过程中不引入新杂质的同时，在烧结过程中也不添加烧结助剂，最终可制备获得高纯高致密度的ZrB₂陶瓷致密体，该制备方法工艺简单，操作方便，制造成本低，适合工业批量制备高纯，高致密度ZrB₂陶瓷致密体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。 

实施例1 

本实施例中，我们采用下列步骤：

a、将纯度为99.5%、平均粒度为10μm的ZrB₂粉末与二氧化锆磨球以及研磨分散介质按1∶8∶3的质量比混合后放入二氧化锆研磨罐中，在研磨罐中注入Ar气作为研磨过程中的保护气氛；

b、将密封好的研磨罐置入行星式球磨机上进行湿法研磨，料罐转速为200r/min，研磨时间为18小时，研磨后用100目金属网筛将二氧化锆磨球和二硼化锆浆料分离，二硼化锆浆料经沉淀、干燥后得到平均粒度小于1μm的ZrB₂高活性粉末；

c、将上述ZrB₂高活性粉末在真空气氛中进行两步热压烧结，第一步中保温平台设置在200℃，真空度为5Pa，保温30min；第二步烧结中烧结温度平台设置在1850℃，真空度为5Pa，烧结压力为40MPa，保温时间为40min；

d、将烧结体随炉冷却至室温后获得致密度为理论密度97.2%的ZrB₂陶瓷致密体。

实施例2 

本实施例中，我们采用下列步骤：

a、将纯度为99.5%、平均粒度为9μm的ZrB₂粉末与二氧化锆磨球以及研磨分散介质按1∶10∶4的质量比混合后放入二氧化锆球研磨罐中，在研磨罐中注入Ar气作为研磨过程中的保护气氛；

b、将密封好的研磨罐置入行星式球磨机上进行湿法研磨，料罐转速为220r/min，研磨时间为19小时，研磨后用100目金属网筛将二氧化锆磨球和二硼化锆浆料分离，二硼化锆浆料经沉淀、干燥后得到平均粒度小于1μm的ZrB₂高活性粉末；

c、将上述ZrB₂高活性粉末在真空气氛中进行两步热压烧结，第一步中保温平台设置在220℃，真空度为2Pa，保温30min；第二步烧结中烧结温度平台设置在1900℃，真空度为2Pa，烧结压力为30MPa，保温时间为50min；

d、将烧结体随炉冷却至室温后获得致密度为理论密度97.7%的ZrB₂陶瓷致密体。

实施例3 

本实施例中，我们采用下列步骤：

a、将纯度为99.5%、平均粒度为12μm的ZrB₂粉末与二氧化锆磨球以及研磨分散介质按1∶9∶3的质量比混合后放入二氧化锆研磨罐中，在研磨罐中注入Ar气作为研磨过程中的保护气氛；

b、将密封好的研磨罐置入行星式球磨机上进行湿法研磨，料罐转速为260r/min，研磨时间为22小时，研磨后用100目金属网筛将二氧化锆磨球和二硼化锆浆料分离，二硼化锆浆料经沉淀、干燥后得到平均粒度小于1μm的ZrB₂高活性粉末；

c、将上述ZrB₂高活性粉末在真空气氛中进行两步热压烧结，第一步中保温平台设置在240℃，真空度为5Pa，保温30min；第二步烧结中烧结温度平台设置在1920℃，真空度为3Pa，烧结压力为30MPa，保温时间为60min；

d、将烧结体随炉冷却至室温后获得致密度为理论密度97.9%的ZrB₂陶瓷致密体。

实施例4 

本实施例中，我们采用下列步骤：

a、将纯度为99.5%、平均粒度为11μm的ZrB₂粉末与二氧化锆磨球以及研磨分散介质按1∶9∶4的质量比混合后放入二氧化锆研磨罐中，在研磨罐中注入Ar气作为研磨过程中的保护气氛；

b、将密封好的研磨罐置入行星式球磨机上进行湿法研磨，料罐转速为300r/min，研磨时间为24小时，研磨后用100目金属网筛将二氧化锆磨球和二硼化锆浆料分离，二硼化锆浆料经沉淀、干燥后得到平均粒度小于1μm的ZrB₂高活性粉末；

c、将上述ZrB₂高活性粉末在真空气氛中进行两步热压烧结，第一步中保温平台设置在250℃，真空度为4Pa，保温30min；第二步烧结中烧结温度平台设置在1950℃，真空度为4Pa，烧结压力为20MPa，保温时间为80min；

d、将烧结体随炉冷却至室温后获得致密度为理论密度97.5%的ZrB₂陶瓷致密体。

实施例5 

本实施例中，我们采用下列步骤：

a、将纯度为99.5%、平均粒度为12μm的ZrB₂粉末与二氧化锆磨球以及研磨分散介质按2∶8∶3的质量比混合后放入二氧化锆研磨罐中，在研磨罐中注入Ar气作为研磨过程中的保护气氛；

b、将密封好的研磨罐置入行星式球磨机上进行湿法研磨，料罐转速为240r/min，研磨时间为20小时，研磨后用100目金属网筛将二氧化锆磨球和二硼化锆浆料分离，二硼化锆浆料经沉淀、干燥后得到平均粒度小于1μm的ZrB₂高活性粉末；

c、将上述ZrB₂高活性粉末在真空气氛中进行两步热压烧结，第一步中保温平台设置在270℃，真空度为3Pa，保温30min；第二步烧结中烧结温度平台设置在1880℃，真空度为5Pa，烧结压力为35MPa，保温时间为70min；

d、将烧结体随炉冷却至室温后获得致密度为理论密度98.2%的ZrB₂陶瓷致密体。

实施例6 

本实施例中，我们采用下列步骤：

a、将纯度为99.5%、平均粒度为15μm的ZrB₂粉末与二氧化锆磨球以及研磨分散介质按2∶10∶4的质量比混合后放入二氧化锆研磨罐中，在研磨罐中注入Ar气作为研磨过程中的保护气氛；

b、将密封好的研磨罐置入行星式球磨机上进行湿法研磨，料罐转速为280r/min，研磨时间为23小时，研磨后用100目金属网筛将二氧化锆磨球和二硼化锆浆料分离，二硼化锆浆料经沉淀、干燥后得到平均粒度小于1μm的ZrB₂高活性粉末；

c、将上述ZrB₂高活性粉末在真空气氛中进行两步热压烧结，第一步中保温平台设置在280℃，真空度为4Pa，保温30min；第二步烧结中烧结温度平台设置在2000℃，真空度为5Pa，烧结压力为45MPa，保温时间为80min；

d、将烧结体随炉冷却至室温后获得致密度为理论密度98.8%的ZrB₂陶瓷致密体。

实施例7 

本实施例中，我们采用下列步骤：

a、将纯度为99.5%、平均粒度为20μm的ZrB₂粉末与二氧化锆磨球以及研磨分散介质按2∶9∶3的质量比混合后放入二氧化锆研磨罐中，在研磨罐中注入Ar气作为研磨过程中的保护气氛；

b、将密封好的研磨罐置入行星式球磨机上进行湿法研磨，料罐转速为320r/min，研磨时间为21小时，研磨后用100目金属网筛将二氧化锆磨球和二硼化锆浆料分离，二硼化锆浆料经沉淀、干燥后得到平均粒度小于1μm的ZrB2高活性粉末；

c、将上述ZrB₂高活性粉末在真空气氛中进行两步热压烧结，第一步中保温平台设置在300℃，真空度为5Pa，保温30min；第二步烧结中烧结温度平台设置在1980℃，真空度为5Pa，烧结压力为50MPa，保温时间为90min；

d、将烧结体随炉冷却至室温后获得致密度为理论密度99.1%的ZrB₂陶瓷致密体。

在上述各实施例的步骤a和b中，本发明充分利用二硼化锆粉末与二氧化锆研磨球及二氧化锆研磨罐在材料强韧性方面的配合，选用特殊研磨分散介质，并在粉体研磨过程中引入Ar气作为保护气氛，在保证研磨工艺使粉体细化1-2个数量级的同时，既不引入降低粉体纯度的金属类杂质，又阻止了外界气体进入研磨罐与磨料生成化合物杂质。 

在上述各实施例步骤c中，本发明通过对第一保温平台温度及真空条件的控制，在不降低粉体活性情况下，使吸附在活化粉体上的研磨分散介质残留及吸附气体得到完全去除，有效促进烧结后期粉体的收缩作用。由于通过步骤b使ZrB₂粉体细化了1-2个数量级，使ZrB₂粉体具有了良好的烧结活性，有效的降低了粉末所需的烧结能，将第二烧结温度平台控制在1850℃～2000℃范围，首先通过温度效应加剧ZrB₂粉末的固相反应和扩散，使ZrB₂粉末发生明显的单相聚合与长大，工艺辅以20～50Mpa的烧结压力和2～5Pa的真空度，进一步增强ZrB₂粉体的塑性流动，促进ZrB₂粉末颗粒的粘合和烧结过程气孔的排除。因此该发明不仅有效降低了纯相ZrB₂粉末烧结温度200℃-350℃，而且降低了纯相ZrB₂陶瓷制备对高温热压烧结炉技术指标上的要求。 

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。 

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。