專利名稱：二硼化鋯微粉的燃燒合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二硼化鋯微粉材料的合成工藝。
背景技術(shù)：
制備二硼化鋯(ZrB2)粉末的方法主要有直接合成法金屬和硼在保護氣氛或真空中高溫反應(yīng)。該方法合成粉末純度高，但原料很貴，同時需要高溫環(huán)境，能耗高；碳熱還原法該方法采用二氧化鋯(ZrO2)、硼酐(B2O3)、碳黑為原料，在高溫爐中長時間反應(yīng)。。該工藝原料成本低，主要缺點在于能耗高、生產(chǎn)周期長，工藝成本高；電解含鋯金屬氧化物和B2O3的熔融鹽浴，這個方法制備得到的產(chǎn)物純度不高，高溫下硼酐極容易汽化，更因為兩者熔解都需要較高的溫度，所以會消耗大量的能量，還要防止它們在此過程中會燒結(jié)，而且此方法比較容易引入雜質(zhì)；燃燒合成法該方法利用原料化學(xué)反應(yīng)放出來的熱量來進行材料合成與制備，以鋯粉(Zr)、硼酐(B2O3)、鎂粉(Mg)為原料，，采用燃燒合成方法合成了ZrB2粉末，純度為94.6％。元素法燃燒合成利用如下反應(yīng)，與直接合成法類似，雖然能耗較直接合成法大幅降低，但原料依然昂貴，且Zr過于活潑，原料的準備與合成過程存在一定的危險性，利用采用氫化鋯(或氫化鈦)和單質(zhì)硼作原料，經(jīng)球磨混合、壓坯后，須抽真空預(yù)熱、保溫、再充氬氣點火反應(yīng)，將反應(yīng)物進行球磨，獲得二硼化鋯或二硼化鈦超細粉末，原料比較貴，以二氧化鋯(ZrO2)、硼酐(B2O3)、鋁粉(Al)為原料，利用反應(yīng)，獲得了ZrB2與Al2O3復(fù)合粉末，由于Al2O3很難去除，所以不能獲得ZrB2粉末。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決已有技術(shù)存在的需要高溫高熱、耗能大、生產(chǎn)周期長，效率低，純度不高的問題，提供一種二硼化鋯微粉的燃燒合成方法。本發(fā)明具有反應(yīng)速度快、合成時間短、節(jié)約大量能源、成本低、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)物純度高的特點。本發(fā)明的方法是按以下步驟實現(xiàn)的一、將基礎(chǔ)原料和稀釋劑進行配料，基礎(chǔ)原料包含二氧化鋯、硼酐和鎂粉，按重量百分比為二氧化鋯(ZrO2)31％～58％、硼酐(B2O3)0％～25％、鎂粉(Mg)25％～44％、稀釋劑為二硼化鋯，加入的稀釋劑重量為基礎(chǔ)原料的0～2.3倍；二、在80～150℃真空條件下干燥600～1200分鐘，將基礎(chǔ)原料和稀釋劑的混合物裝入混料罐，機械球磨混合1200～1500分鐘；三、將混合均勻的粉末裝入石墨舟，然后放入密閉壓力容器中，反應(yīng)器采用循環(huán)水冷卻，充入保護氣氛的壓強為0～2Mpa，點火使之發(fā)生自蔓延反應(yīng)，點火采用Ni-Cr絲，點火劑為粒度小于300目純Ti粉與碳黑的混合物；四、冷卻后取出產(chǎn)物，產(chǎn)物為二硼化鋯和氧化鎂的混合物，產(chǎn)物在鹽酸溶液中酸洗去除氧化鎂，剩余的二硼化鋯經(jīng)水洗、過濾、干燥后，得到本發(fā)明的產(chǎn)品。本發(fā)明的有益效果是采用還原法燃燒合成工藝，制備出低成本、高純度的亞微米級球形二硼化鋯粉末。二硼化鋯微粉的燃燒合成方法的優(yōu)點是反應(yīng)速度快、合成時間短、節(jié)約大量能源；成本低、生產(chǎn)效率高；產(chǎn)物純度高；設(shè)備占地面積小。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的主要優(yōu)勢在于利用原料的化學(xué)能，只需要很小的能量點火即可，可節(jié)約大量能源；燃燒合成的效率很高，反應(yīng)過程只需幾分鐘即可完成，極大地提高了生產(chǎn)效率；燃燒合成的溫度很高(可達2000-3000℃)，高溫有利于雜質(zhì)的揮發(fā)，因而產(chǎn)物的純度很高。綜合上述分析，采用燃燒合成技術(shù)生產(chǎn)二硼化鋯粉末，具有生產(chǎn)效率高、耗能少、成本低等突出優(yōu)點，產(chǎn)品性能優(yōu)良，應(yīng)用前景廣闊，該技術(shù)的使用將具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的方法是按以下步驟實現(xiàn)的一、將基礎(chǔ)原料和稀釋劑進行配料，基礎(chǔ)原料按重量百分比為二氧化鋯(ZrO2)31％～58％、硼酐(B2O3)0％～25％、鎂粉(Mg)25％～44％，加入的稀釋劑(二硼化鋯)重量為基礎(chǔ)原料的0～2.3倍；二、在80～150℃真空條件下干燥600～1200分鐘，將基礎(chǔ)原料和稀釋劑的混合物裝入混料罐，機械球磨混合1200～1500分鐘；三、將混合均勻的粉末裝入石墨舟，然后放入密閉壓力容器中，反應(yīng)器采用循環(huán)水冷卻，充入保護氣氛的壓強為0～2Mpa，點火使之發(fā)生自蔓延反應(yīng)，點火采用Ni-Cr絲，點火劑為粒度小于300目純Ti粉與碳黑的混合物；四、冷卻后取出產(chǎn)物，產(chǎn)物為二硼化鋯和氧化鎂的混合物，產(chǎn)物在鹽酸溶液中酸洗去除氧化鎂，剩余的二硼化鋯經(jīng)水洗、過濾、干燥后，得到最終的產(chǎn)品。
具體實施例方式
二本實施方式的原料是由基礎(chǔ)原料和稀釋劑組成，基礎(chǔ)原料中各組分的重量百分比為二氧化鋯31％、硼酐25％、鎂粉44％，加入的稀釋劑重量為基礎(chǔ)原料的0～2.3倍，保護氣氛的壓強為1Mpa，酸洗后獲得的產(chǎn)物球形二硼化鋯粉末，隨稀釋劑含量的變化，粒度可在0.1μm～10μm范圍變化，純度為98.5％～99.5％。其它方法和步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施例方式
三本實施方式與具體實施方式
一或二的不同點在于，由碳化硼替代部分硼酐(B2O3)和鎂粉，碳化硼占基礎(chǔ)原料的重量百分比≤17％。由碳化硼替代部分硼酐(B2O3)和鎂粉可以降低產(chǎn)品的成本。其它方法和步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施例方式
四本實施方式的原料由基礎(chǔ)原料和稀釋劑組成，在基礎(chǔ)原料中由碳化硼替代了全部的硼酐，基礎(chǔ)原料中各組分的重量百分比為二氧化鋯58％、鎂粉25％、碳化硼17％，加入的稀釋劑重量為基礎(chǔ)原料的0～2.3倍，保護氣氛壓強為2Mpa，酸洗后獲得球形二硼化鋯粉末產(chǎn)物，隨稀釋劑含量的變化，粒度可在0.1μm～10μm范圍變化，純度為97％～98.5％。其它方法和步驟與具體實施方式
一相同。
具體實施例方式
五本實施方式的原料由基礎(chǔ)原料和稀釋劑組成，在基礎(chǔ)原料中由碳化硼替代了部分的硼酐和鎂粉，基礎(chǔ)原料中各組分的重量百分比為二氧化鋯41％、硼酐16％、鎂粉35％、碳化硼8％，加入的稀釋劑重量為基礎(chǔ)原料的0～2.3倍，保護氣氛壓強為2Mpa，酸洗后獲得球形二硼化鋯粉末產(chǎn)物，隨稀釋劑含量的變化，粒度可在0.1μm～10μm范圍變化，純度為98％～99％。其它方法和步驟與具體實施方式
一相同。
工作原理燃燒合成，即自蔓延高溫合成(英文簡稱SHS)，是一種新型的無機難熔材料的制備工藝。它利用原料合成反應(yīng)時放出的大量反應(yīng)熱，使反應(yīng)自維持下去直至反應(yīng)結(jié)束，從而獲得所需產(chǎn)物的一種方法。還原法燃燒合成二硼化鋯粉末所利用的化學(xué)反應(yīng)為(1)式中，x為原料中加入稀釋劑的含量。稀釋劑是將產(chǎn)物加入原料中以降低反應(yīng)的溫度，控制工藝過程。
上述二硼化鋯燃燒合成是在真空或保護氣氛下(如氬氣)進行的。氣氛壓強的升高，有利于反應(yīng)的充分進行，抑制Mg和硼酐在高溫下的揮發(fā)。壓強值可取0～2MPa。原料中稀釋劑的含量對產(chǎn)物的粒度大小，具有重要的影響。稀釋劑含量越高，產(chǎn)物的粒度越小。在稀釋劑含量占整個原料的0％～70％重量比的情況下，均可實現(xiàn)燃燒合成反應(yīng)。相應(yīng)的產(chǎn)物粒度可在10μm～0.1μm范圍內(nèi)變化。本發(fā)明的難點在于如果原料中的二氧化鋯(ZrO2)在反應(yīng)后出現(xiàn)剩余，則難以酸洗除去，產(chǎn)物純度很低。另外硼酐(B2O3)在高溫下極易揮發(fā)，如果原料中硼酐不足，則產(chǎn)物的硼含量將不足。因此原料中的鎂粉和硼酐均需要適當過量，才能獲得高純度二硼化鋯微粉，粒度在0.2～1.8微米范圍內(nèi)可調(diào)。鑒于原料中硼酐(B2O3)在高溫下極易揮發(fā)，以及鎂粉比較貴，在利用本發(fā)明的方法制備二硼化鋯粉末時以低價格的碳化硼(B4C)替代部分硼酐(B2O3)和鎂粉。反應(yīng)原理為(2)式中x為原料中加入稀釋劑(ZrB2)的含量。Y為添加劑B4C的含量。Y值越大，原料成本越低。為確保燃燒合成反應(yīng)進行，存在最大值Ymax，大于該值將不能實現(xiàn)燃燒合成反應(yīng)。Ymax與稀釋劑的含量x相聯(lián)系，x越大，Ymax越小，也就是說稀釋劑含量的增加，會降低用碳化硼取代鎂粉和硼酐的能力。不加入稀釋劑時，即y＝0時，Zmax最大，依反應(yīng)條件的不同，Zmax可達到0.5～0.75。
本發(fā)明的產(chǎn)物為二硼化鋯粉末，化學(xué)式為ZrB2，產(chǎn)物二硼化鋯為球形粉末，粒度范圍0.1微米到10微米，純度大于99％。
權(quán)利要求
1.二硼化鋯微粉的燃燒合成方法，其特征在于它是按以下步驟實現(xiàn)的一、將基礎(chǔ)原料和稀釋劑進行配料，基礎(chǔ)原料包含二氧化鋯、硼酐和鎂粉，按重量百分比為二氧化鋯31％～58％、硼酐0％～25％、鎂粉25％～44％，加入的稀釋劑二硼化鋯重量為基礎(chǔ)原料的0～2.3倍；二、在80～150℃真空條件下干燥600～1200分鐘，將基礎(chǔ)原料和稀釋劑的混合物裝入混料罐，機械球磨混合1200～1500分鐘；三、將混合均勻的粉末裝入石墨舟，然后放入密閉壓力容器中，反應(yīng)器采用循環(huán)水冷卻，充入保護氣氛的壓強為0～2Mpa，點火使之發(fā)生自蔓延反應(yīng)，點火采用Ni-Cr絲，點火劑為粒度小于300目純Ti粉與碳黑的混合物；四、冷卻后取出產(chǎn)物，產(chǎn)物為二硼化鋯和氧化鎂的混合物，產(chǎn)物在鹽酸溶液中酸洗去除氧化鎂，剩余的二硼化鋯經(jīng)水洗、過濾、干燥后，得到最終的產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二硼化鋯微粉的燃燒合成方法，其特征在于基礎(chǔ)原料中各組分的重量百分比為二氧化鋯31％、硼酐25％、鎂粉44％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二硼化鋯微粉的燃燒合成方法，其特征在于由碳化硼替代部分硼酐和鎂粉，碳化硼占基礎(chǔ)原料的重量百分比≤17％。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二硼化鋯微粉的燃燒合成方法，其特征在于基礎(chǔ)原料中各組分的重量百分比為二氧化鋯58％、鎂粉25％、碳化硼17％。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二硼化鋯微粉的燃燒合成方法，其特征在于基礎(chǔ)原料中各組分的重量百分比為二氧化鋯41％、硼酐16％、鎂粉35％、碳化硼8％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二硼化鋯微粉的燃燒合成方法，其特征在于保護氣氛壓強為1Mpa。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二硼化鋯微粉的燃燒合成方法，其特征在于保護氣氛壓強為2Mpa。
全文摘要
二硼化鋯微粉的燃燒合成方法，它涉及一種二硼化鋯微粉材料的合成工藝。本發(fā)明的目的是為解決已有技術(shù)存在的需要高溫高熱、耗能大、生產(chǎn)周期長，效率低，純度不高的問題。本發(fā)明將基礎(chǔ)原料和稀釋劑進行配料，基礎(chǔ)原料按重量百分比為二氧化鋯31％～58％、硼酐0％～25％、鎂粉25％～44％，稀釋劑為二硼化鋯；在高溫真空條件下干燥600～1200分鐘，再將混合物機械球磨混合1200～1500分鐘；將混合的粉末裝入密閉壓力容器中，反應(yīng)器采用循環(huán)水冷卻，充入保護氣氛，點火使之發(fā)生自蔓延反應(yīng)；冷卻后將產(chǎn)物在鹽酸溶液中酸洗去除氧化鎂，剩余的二硼化鋯經(jīng)水洗、過濾、干燥后，得到最終產(chǎn)品。本發(fā)明具有反應(yīng)速度快、節(jié)約能源、成本低、效率高、產(chǎn)品純度高的優(yōu)點。
文檔編號C01B35/04GK1699168SQ20051001001
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月23日
發(fā)明者赫曉東, 鄭永挺 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)