[發明專利]一種硼化鋯-碳化硅超細復合粉體及其制備方法

有效

• 申請號: 201410436144.1
• 申請日: 2014-08-29
• 公開（公告）號: CN104193339A
• 公開（公告）日: 2014-12-10
• 發明（設計）人: 李發亮;張海軍;張少偉;魯禮林;段紅娟
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: C04B35/58
• 分類號: C04B35/58;C04B35/626
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明屬于無機非金屬材料超細復合粉體技術領域。具體涉及一種硼化鋯-碳化硅超細復合粉體及其制備方法。

背景技術

ZrB₂-SiC陶瓷材料具有耐高溫、抗氧化燒蝕、抗沖刷、室溫及高溫力學性能良好等優異性能，是超高溫應用領域最具潛力的候選材料，有望用于高超聲速長時飛行、大氣層再入、跨大氣層飛行、火箭推進系統及熔煉電極、熔煉坩堝等極端熱化學環境中。當前，ZrB₂-SiC陶瓷的制備主要是以ZrB₂粉和SiC粉為原料，經機械混合、高溫燒結而成。該種方法容易在混料過程中引入雜質，同時，由于ZrB₂粉和SiC粉的活性較低，需要較高的燒成溫度。采用ZrB₂-SiC復合粉體為原料制備ZrB₂-SiC陶瓷可以很好地解決上述問題。研究表明，原料粉體晶粒越細小，所制備陶瓷材料的硬度、抗彎強度、斷裂韌性等常溫和高溫力學性能越優良。納米陶瓷甚至被認為是解決結構陶瓷材料脆性差、韌性和強度低等缺陷的戰略途徑。因而，具有良好性能的高純、超細ZrB₂-SiC復合粉體是制備高性能ZrB₂/SiC超高溫陶瓷的基礎。

ZrB₂-SiC超細復合粉體的制備方法主要有碳熱還原法、自蔓延高溫合成法和放電等離子反應法等。這些方法雖有其明顯的優點，但也都存在一定的不足。

碳熱還原法是以氧化鋯、硼酸、硅溶膠為原料、以炭黑為還原劑、在電爐中加熱至1300℃以上合成ZrB₂-SiC超細復合粉體的方法。該法操作簡單、原料取材廣泛。但是，往往需要高的熱處理溫度、反應時間長，生成的ZrB₂-SiC超細復合粉體徑分布不均勻、團聚嚴重。自蔓延高溫合成法(SHS)是一種依賴物質反應自身放熱，在極短的時間合成目標產物的工藝。自蔓延高溫合成法具有設備簡單、能耗低、高效、反應時間短的優點，但是該方法所得粉體顆粒粗大、團聚嚴重且反應過程難以控制。放電等離子燒結法(SPS)是近些年來倍受重視的一種材料制備新技術。放電等離子反應法具有升溫速度快、反應時間短、冷卻迅速以及節能環保等優點。但是，反應過程、產物結構及性能不易控制，且產物純度不高、團聚嚴重，同時設備投入大，難以形成規模化生產。

綜上所述，現有的硼化鋯-碳化鋯超細復合粉體的制備技術存在的不足是：成本高、反應溫度高、過程不易控制、工藝過程復雜、產率低、合成粉體的純度較低、粉體顆粒粒徑分布不均勻和粉體顆粒容易團聚等，極大地限制了硼化鋯-碳化鋯超細復合粉體的產業化生產。

發明內容

本發明旨在克服現有技術的不足，目的是提供一種反應溫度低、成本低、合成工藝簡單、過程易于控制、產率高的硼化鋯-碳化硅超細復合粉體的制備方法。用該方法制備的硼化鋯-碳化硅超細復合粉體活性高、顆粒團聚小、粉體粒徑分布均勻、純度高和產業化生產的前景大。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：先將64～85wt％的鹵化物粉、4～15wt％的氧化鋯粉、2～5wt％的氧化硅粉、2～6wt％的氧化硼粉、0.3～1.1wt％的炭粉和6～10wt％的鎂粉混合均勻，機壓成型；再將成型后的坯體置于電爐中，在氬氣氣氛和升溫速率為2～8℃/min的條件下升溫至1000～1250℃，保溫2～6小時，得到燒成后的坯體；然后將燒成后的坯體用蒸餾水洗滌，洗滌后放入濃度為1.0～4.0mol/L的鹽酸中浸泡3～8小時，過濾，用去離子水清洗，在80℃條件下干燥11～24小時，粉碎，即得硼化鋯-碳化硅超細復合粉體。

所述鹵化物粉為氯化鉀粉和氯化鈉粉的混合物；氯化鉀和氯化鈉均為工業純或均為分析純，氯化鉀和氯化鈉的粒徑均≤200μm。

所述氧化鋯粉中的ZrO₂含量≥99wt％，粒徑≤100μm。

所述氧化硅粉中的SiO₂含量≥95wt％，粒徑≤100μm。

所述氧化硼粉中的B₂O₃含量≥99wt％，粒徑≤100μm。

所述碳粉中的C含量≥98wt％，粒徑≤200μm。

所述金屬鎂粉中的Mg含量≥99wt％，粒徑≤150μm。

由于采用上述技術方案，本發明與現有技術相比具有如下積極效果：

1、本發明在熔融鹽中實現反應物原子尺度的混合，使反應成分在液相中的流動性增強，擴散速率顯著提高，能有效控制反應進程、降低反應溫度和縮短反應時間；