[發明專利]一種原位燃燒合成制備B4

有效

• 申請號: 201710324446.3
• 申請日: 2017-05-10
• 公開（公告）號: CN107129305B
• 公開（公告）日: 2020-09-08
• 發明（設計）人: 豆志河;張廷安;劉燕;謝愷煜;范世鋼;石浩;呂國志;潘喜娟;趙秋月;牛麗萍;傅大學;張偉光
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C04B35/563
• 分類號: C04B35/563;C04B35/622;C01F5/04;B82Y40/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 劉曉嵐

一種原位燃燒合成制備B₄C纖維的方法，屬于陶瓷纖維技術領域。該方法通過將氧化硼和鎂粉按摩爾比混合，放入高能球磨機中進行機械活化處理；再與碳纖維按摩爾比混合均勻，放入模具中，在10～60MPa壓制成塊狀坯料，進行自蔓延反應；將產物浸入稀鹽酸中，置于密閉的反應釜中強化浸出，最后噴霧熱分解獲得高純碳化硼纖維產品。該方法制備出高純度、高活性、燒結性能良好的二維陶瓷纖維材料。原料成本低，能耗低，操作簡單，對工藝條件和儀器設備要求低，改變現有二維纖維結構的B₄C生產高能耗、低產率的現狀。采用高能球磨活化，改善傳統鎂熱還原法的缺點；采用自蔓延制粉技術，所得的產品具有純度高，粒度分布可控，粉末活性高的優點。

技術領域

本發明屬于陶瓷纖維技術領域，具體涉及一種原位燃燒合成制備B₄C纖維的方法。

背景技術

碳化硼主要用于制作碳化硼陶瓷，碳化硼陶瓷具有密度小、硬度高、高模量、強耐磨性、高抗氧化性、較強耐酸腐蝕性以及優良的中子吸收性能等特點，具有廣闊的應用前景，廣泛應用于防彈材料、耐磨和自潤滑材料、切割研磨工具、防輻射材料和原子反應堆控制和屏蔽材料等。

碳化硼是用于沖擊用途(如防彈衣、坦克前防護板以及軍事戰斗車輛面板)最重要的材料。在軍事戰斗，可以極大提高車輛和飛行器提高生存性和活動性以及軍事人員的存活率。但碳化硼脆性大，常常以脆性斷裂為主，這大大限制了碳化硼陶瓷的應用。目前提高陶瓷韌性的辦法有多種，可以采用顆粒增強、或具有特定晶粒取向結構的排布、或采用晶須、納米管以及纖維增韌的方式。B₄C纖維是其中最重要的一種二維陶瓷材料。現有的商業化生產工藝主要為超細粉體特種燒結法，此方法需要高溫，并且具有成品率低、能耗大、產品形貌不易控制的缺點。現有的實驗室路線有氣相沉積法、定向拉絲法等，這些路線典型地成本高、產量低且能耗大。

基于現有制備碳化硼纖維的缺點，提出以機械活化、自蔓延合成、密閉強化浸出和酸液熱解循環的新工藝路線制取碳化硼纖維，具有工藝流程短、無中間工序、成本低、產品性能好的優點，因此更易實現連續化，是最具發展潛力的碳化硼纖維制備工藝之一，符合降低原材料成本、節約能源的國民經濟發展戰略，這一技術的工業化經濟效益和社會效益都十分可觀。

發明內容

針對現有技術制備碳化硼的缺點，本發明提供一種原位燃燒合成制備B₄C纖維的方法，通過機械活化、自蔓延合成、密閉強化浸出和噴霧熱分解獲得高純碳化硼纖維產品。本方法是一種高純度、高活性、燒結性能良好的二維陶瓷纖維材料制備方法。本方法原料成本低，能耗低，操作簡單，對工藝條件和儀器設備要求低，改變現有二維纖維結構的B₄C生產高能耗、低產率的現狀，為工業化生產奠定了基礎。采用高能球磨活化，改善傳統鎂熱還原法原料利用率低，產物純度低、反應進程和產品形貌難以控制的情況；采用自蔓延制粉技術，所得的產品具有純度高，粒度分布可控，粉末活性高等優點。

本發明的一種原位燃燒合成制備B₄C纖維的方法，按以下步驟進行：

步驟1：機械活化

將氧化硼和鎂粉按摩爾比混合，放入高能球磨機中進行機械活化處理，得到含硼的前驅體混合物；其中，按摩爾比，B₂O₃：Mg＝1：(2～4)；

步驟2：自蔓延合成

將含硼的前驅體混合物與碳纖維按摩爾比混合均勻，放入模具中，在10～60MPa壓制成塊狀坯料，置于自蔓延反應爐中引發進行自蔓延反應，得到反應物料，反應物料冷卻后，得到B₄C產物彌散分布在MgO基體中的燃燒產物；

其中，按摩爾比，B₂O₃：Mg：C＝1：(2～4)：(0.5～0.6)；

步驟3：密閉強化浸出