纳米碳化锆材料的制备方法技术

本发明专利技术公开一种复合材料技术领域的纳米碳化锆材料的制备方法，以Ｃｕ或Ａｌ粉、Ｚｒ粉、炭黑为原料，所述Ｚｒ与Ｃ的原子比为１，用Ｃｕ－Ｚｒ－Ｃ混合粉时Ｃｕ粉的含量为１０－３０ｗｔ％，用Ａｌ－Ｚｒ－Ｃ混合粉时Ａｌ粉的含量为３０－４０ｗｔ％，将Ｃｕ或Ａｌ、Ｚｒ、Ｃ三元混合粉末充分混合后压制成坯块，在充满述惰性气体的环境中进行燃烧合成，采用坯块底部的钨极电弧来引燃，坯块被点燃后，燃烧波将自发地传播，直至整个反应完成，得到混有部分Ｃｕ或Ａｌ的纳米ＺｒＣ。本发明专利技术具有工艺简单，节能高效且产品纯度高等优点，产物为Ｃｕ或Ａｌ－纳米ＺｒＣ复合物，既可直接作为Ｃｕ或Ａｌ－纳米ＺｒＣ复合材料使用也可以用酸洗掉金属Ｃｕ或Ａｌ获得单纯的纳米ＺｒＣ颗粒。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合材料
的制备方法，具体是一种纳米碳化锆材料 的制备方法。
技术介绍
碳化锆(ZrC)具有极高的熔点和硬度，优异的耐磨耐蚀性以及良好的化学稳 定性，被广泛用于切削刀具、耐磨钻头、电子元器件、原子反应堆中的防护层及 复合材料中的增强粒子。ZrC晶粒尺寸的纳米化能大幅度提高材料的力学性能。ZrC 通常通过高温下碳热还原反应、机械合金化、化学气相沉积(CVD)等方法来制备， 也可通过工艺简单、节省能源的燃烧合成方法制备，但通常Zr与C的燃烧合成所 得到的ZrC颗粒比较粗大(IO y m以上))，常用的其它工艺方法也难以有效地制备 纳米ZrC材料。经对现有技术的文献检索发现，Mickael Doll' e等在《Journal of the European Ceramic Society》27 (2007) 2061 - 2067上发表的"Synthesis of nanosized zirconium carbide by a sol - gel route，， ( Mickael Doll'e等，"禾偶溶胶-凝胶方法合成纳米碳化锆"，欧洲陶瓷学报，2007年27巻2061-2067页) 一文，该 文中提出利用溶胶-凝胶方法合成纳米碳化锆，出发原料为Zr(0Pr)4 ， Ac0H和蔗糖，经过复杂的溶胶-凝胶处理过程和高温热处理得到了平均粒径约ioo纳米的碳化锆颗粒，但产物中氧污染严重，而且工艺过程很复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种纳米碳化锆的的制备方法， 使其采用燃烧合成技术直接制备纳米碳化锆材料，从而形成一种工艺简单，节能高效且产品纯度高的纳米碳化锆材料。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术以Cu或Al粉和Zr粉、炭黑为原 料，将Cu或Al和Zr、 C三元混合粉末充分混合后压制成坯块，在充满惰性气体 的环境中进行燃烧合成，采用坯块底部的钨极电弧来引燃，坯块被点燃后，燃烧 波将自发地传播，直至整个反应完成，得到混有部分Cu或Al的纳米ZrC。该产物 没有受氧等杂质污染，既可直接作为Cu(或Al)-纳米ZrC复合材料使用也可以用 酸洗掉金属Cu或Al获得单纯的纳米ZrC颗粒。所述Zr与C的原子比为1，用Cu-Zr-C混合粉时Cu粉的含量为10-30 wt%， 用Al-Zr-C混合粉时Al粉的含量为30-40wt%。所述Cu粉，其纯度为99°/。以上，平均粒径为44um。所述A1粉，其纯度为99%以上，平均粒径为29ym。所述Zr粉，其纯度为99%以上，平均粒径为38um。所述炭黑，其纯度〉98%，无定形。所述坯块为圆柱状坯块，直径为①22X10鹏，相对密度约为60±5%。 所述惰性气体为Ar气。所述燃烧，其温度通过插在原料坯块内的热电偶来进行采集。本专利技术中，Cu或Al粉的添加对制备纳米碳化锆起着关键的作用。 一方面，反 应过程中液相Cu (融点约1356K)或A1(融点约933K)的出现，为粉末间的相互扩 散提供了更容易的通道，大量的Zr、 C粉末将溶于Cu(或Al)液中，并迅速扩散与 铺展，使得相互接触表面积迅速提高，从而导致剧烈的化学放热反应，生成ZrC 颗粒。另一方面，Cu(或Al)在反应过程中起稀释剂的作用，降低反应的燃烧温度， 从而抑制ZrC生长。另外，Cu (或A1)的汽化可能对抑制ZrC生长，得到纳米ZrC 材料起着重要的作用。利用溶液燃烧能制备多种纳米氧化物材料。适当加热一些含氧化剂的溶液能 导致剧烈的溶液燃烧，伴随剧烈的汽化，从而制得相应的纳米氧化物。Cu(或 Al)-Zr-C三元混合粉末的燃烧合成反应也许可看作为一种特殊的内生溶液燃烧， 反应过程中Cu (或Al)融解后形成了 Cu (或Al) -Zr-C溶液，进而产生溶液燃烧现象， 得到纳米ZrC颗粒。具体实施例方式下面对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。以下实施例所用原材料为Cu粉(纯度为99%，平均粒径为44u m)、 Al粉(纯 度为99%，平均粒径为29um)、 Zr粉(纯度为99%，平均粒径为38um)、炭黑(纯 度〉98%，无定形)。Zr与C的原子比为1，用Cu-Zr-C混合粉时Cu粉的含量为10-30 wt.%,用Al-Zr-C混合粉时Al粉的含量为30-40wt%。部分产物磨成粉末用作 XRD(D/Max 2500PC Rigaku， Japan)物相检测。使用场发射扫描电镜(FE-SEM，型 号为JSM-6700F )来观察产物的断口形貌。燃烧温度通过插在原料坯块内的W-La 热电偶来进行采集。实施例1:将10wt%Cu-Zr-C三元混合粉末经充分混合后压制成。22X10 mm、相对密度 约为60±5%的圆柱状坯块，然后将其置于充满Ar的手套箱内，通过安装在样品底 部的钨极电弧来引燃，钨极电弧加热数秒后Cu开始熔化(温度达到约110(TC)， 随后产生剧烈的放热燃烧反应(温度高达245(TC)，燃烧波自发地传播，直至整个 反应完成。X线衍射试验的结果表明该燃烧合成产物由Cu和ZrC构成。场发射扫 描电镜观察的结果显示ZrC的平均粒径约为lOOnm。实施例2:将20wt%Cu-Zr-C三元混合粉末经充分混合后压制成。22X10 mm、相对密度 约为60±5%的圆柱状坯块，然后将其置于充满Ar的手套箱内，通过安装在样品底 部的钨极电弧来引燃，钨极电弧加热数秒后Cu开始熔化，随后产生剧烈的放热燃 烧反应(温度高达243(TC),燃烧波自发地传播，直至整个反应完成。X线衍射试 验的结果表明该燃烧合成产物由Cu和ZrC两相构成。场发射扫描电镜观察的结果 显示ZrC的平均粒径约为70nm。实施例3:将30wt%Cu-Zr-C三元混合粉末经充分混合后压制成①22X10 ■、相对密度 约为60±5%的圆柱状坯块，然后将其置于充满Ar的手套箱内，通过安装在样品底部的钨极电弧来引燃，钨极电弧加热约12秒后Cu开始熔化，随后产生剧烈的放 热燃烧反应(温度高达240(TC)，燃烧波自发地传播，直至整个反应完成。X线衍 射试验的结果表明该燃烧合成产物由Cu和ZrC两相构成。场发射扫描电镜观察的 结果显示ZrC的平均粒径约为50nm。实施例4:将30wt%Al-Zr-C三元混合粉末经充分混合后压制成O22X10 mra、相对密度 约为60±5%的圆柱状坯块，然后将其置于充满Ar的手套箱内，通过安装在样品底 部的钨极电弧来引燃，钨极电弧加热约4秒后A1-Zr之间在65(TC发生了固相放热 反应而生成ZrAl3化合物，Al-Zr固相反应所放出的热量促使部分Al熔化，从而 .使得温度有所降低，这一由Al-Zr固相反应放热与Al熔化吸热所引起的温度波动 持续约1秒后可能由于Zr粒子迅速地溶入到Al液中并与之反应产生了剧烈的放 热燃烧反应(温度高达1675°C)，生成大量的ZrAl3金属间化合物，随后C与液态 ZrAl3进一步放热反应生成ZrC和Al，温度也进一步上升到1953°C，燃烧波自发 地传播，直至整个反应完成。上述反应各阶段的构成相由X线衍射试验确定。场 发射扫描电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米碳化锆材料的的制备方法，其特征在于，以Ｃｕ或Ａｌ粉和Ｚｒ粉、炭黑为原料，所述Ｚｒ与Ｃ的原子比为１，将Ｃｕ或Ａｌ和Ｚｒ、Ｃ三元混合粉末充分混合后压制成坯块，在充满述惰性气体的环境中进行燃烧合成，采用坯块底部的钨极电弧来引燃，坯块被点燃后，燃烧波将自发地传播，直至整个反应完成，得到混有部分Ｃｕ或Ａｌ的纳米ＺｒＣ，其中：　用Ｃｕ－Ｚｒ－Ｃ混合粉时Ｃｕ粉的重量百分比含量为１０－３０％，用Ａｌ－Ｚｒ－Ｃ混合粉时Ａｌ粉的重量百分比含量为３０－４０％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄斌，李建国，张梦贤，宋谋胜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]