一种超细二硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种超细二硼化锆‑碳化硅复合粉体及其制备方法。本发明专利技术以二氧化锆、碳化硼、炭黑和硅粉为原料，将它们充分混合均匀，于常压、保护气体保护下，1300‑1600℃下煅烧30‑90min，制备得到超细二硼化锆‑碳化硅复合粉体。本发明专利技术方法工艺简单，无污染，原料廉价易得，成本低，生产周期短，设备简单操作容易，适合工业化生产；所制备的复合粉体具有粒径尺寸小、粒径分布窄、纯度和产率高、质量好、形貌均一的特性。

Ultrafine two zirconium carbide SiC composite powder and preparation method thereof

The invention provides a superfine two zirconium zirconium carbide silicon carbide composite powder and a preparation method thereof. The invention takes zirconium dioxide, boron carbide, carbon black and silicon powder as raw materials, mixes them fully and evenly, calcines them at 1300 1600 for 30 90 minutes under normal pressure and protective gas protection, and prepares ultrafine zirconium diboride silicon carbide composite powder. The method has the advantages of simple process, non-pollution, low cost, easy availability of raw materials, short production cycle, simple operation of equipment and suitable for industrial production; the composite powder prepared has the characteristics of small particle size, narrow particle size distribution, high purity and yield, good quality and uniform morphology.

【技术实现步骤摘要】
一种超细二硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法
本专利技术涉及一种超细二硼化锆-碳化硅复合粉体及其制备方法，属于无机非金属材料制备

技术介绍
二硼化锆是一种常见的超高温材料(UHTCs)，具有低密度、高熔点、高硬度、导热性好、导电性好以及中子控制能力良好等优点，被广泛用于超音速飞行器的热保护系统、超燃冲压发动机部件以及高温电极和熔融金属密封系统等领域。但是由于二硼化锆材料的高温易氧化，强度低等缺陷，使其应用受到了一定的限制。研究表明，碳化硅材料具有耐高温、耐腐蚀、抗热震、抗氧化和重量轻等一系列优良的性能，且碳化硅的加入可以改善二硼化锆陶瓷的烧结性能，因此，二硼化锆-碳化硅陶瓷材料的研究受到越来越多的重视。高纯度、粒径小且颗粒尺寸分布均匀的粉体是制备高性能陶瓷材料关键的第一步。目前，二硼化锆-碳化硅复合粉体的制备方法主要有：前驱体合成法(J.He,Y.Gao,Y.Wang,J.Fang,L.An.Ceram.Int.,2017,43,1602-1607.)、两步还原工艺(H.C.Oh,S.H.Lee,S.C.Choi.Int.J.Refract.Met.HardMater.,2014,42,132-135.)及溶胶凝胶法(Y.Yan,H.Zhang,Z.Huang,J.Liu,D.Jiang.J.Am.Ceram.Soc.,2008,91,1372-1376.)等。虽然上述方法成功制备出二硼化锆-碳化硅复合粉体，但是这些方法仍存在一些不足之处，限制了其推广和应用。比如，前驱体合成法所需原料来源途径单一，成本高，不适合大批量生产；两步还原法操作复杂，耗时较长；溶胶凝胶法虽然可以获得粒径分布均匀的较纯二硼化锆-碳化硅复合粉体，但其原料昂贵，需要复杂的设备，增加了生产成本。中国专利文献CN102020467A也公开了一种低成本制备二硼化锆-碳化硅复合粉料的方法。以ZrSiO4、B4C和C作为原料，球磨混合后于惰性气体保护下在1500-1600℃反应0.5-1h得二硼化锆-碳化硅复合粉料。该方法成本低，生产设备简单，适合工业应用；但所得粉体纯度低，主要成分为二硼化锆和碳化硅，此外还含有Al5(BO3)6相等杂质，杂质含量相对较高；所得复合粉料粒径分布为1-5μm，粒径尺寸不均匀，尺寸分布较宽，粒径较大；并且形貌为球状和短棒状的混合物，形貌不均一。因此，开发一种成本低、生产周期短、设备简单且操作方便、适合工业化生产的二硼化锆-碳化硅复合粉体的制备工艺方法，同时保证二硼化锆-碳化硅复合粉体粒径尺寸小、粒径分布窄、纯度和产率高、质量好、形貌均一的特性，是本领域研究的难点。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供一种超细二硼化锆-碳化硅复合粉体；本专利技术复合粉体具有粒径尺寸小、粒径分布窄、纯度和产率高、质量好、形貌均一的特性。本专利技术还提供一种超细二硼化锆-碳化硅复合粉体的制备方法；本专利技术方法工艺简单，无污染，原料廉价易得，成本低，生产周期短，设备简单操作容易，适合工业化生产。本专利技术的技术方案如下：一种超细二硼化锆-碳化硅复合粉体，包括如下摩尔份数的原料制成：二氧化锆1-3份，碳化硼0.5-2份，炭黑2-6份，硅粉0.5-1.5份。根据本专利技术优选的，所述超细二硼化锆-碳化硅复合粉体，包括如下摩尔份数的原料制成：二氧化锆2份，碳化硼1-1.3份，炭黑4份，硅粉1份。根据本专利技术优选的，所述二氧化锆是平均粒径为5-20μm的二氧化锆微粉。根据本专利技术优选的，所述碳化硼是平均粒径为10-30μm的碳化硼微粉。根据本专利技术优选的，所述炭黑是平均粒径为1-20μm的炭黑微粉。根据本专利技术优选的，所述硅粉是平均粒径为1-20μm的单质硅微粉。根据本专利技术优选的，所述二氧化锆、碳化硼、炭黑和硅粉的摩尔比为2：1.2：4：1。根据本专利技术优选的，所述超细二硼化锆-碳化硅复合粉体的微观形貌是粒径为100-300nm的颗粒。上述超细二硼化锆-碳化硅复合粉体的制备方法，包括步骤：将二氧化锆、碳化硼、炭黑和硅粉充分混合均匀；于常压、保护气体保护下，于1300-1600℃下煅烧30-90min，制备得到超细二硼化锆-碳化硅复合粉体。根据本专利技术优选的，所述保护气体为氩气或氦气；保护气体流量为30-35立方厘米/分钟。根据本专利技术优选的，以升温速率10-15℃/min升温至1300-1600℃下煅烧30-90min后，然后以降温速率10-30℃/min降至室温。根据本专利技术优选的，所述煅烧温度为1500℃，煅烧时间为60min。本专利技术的原理：本专利技术所述方法遵循的反应方程式为：2ZrO2+B4C+4C+Si＝2ZrB2+SiC+4CO↑利用二氧化锆、碳化硼、炭黑和硅粉为原料，在1300～1600℃温度下煅烧，通过一步还原法制备超细二硼化锆-碳化硅复合粉体，产物只有二硼化锆、碳化硅和一氧化碳，利于反应进行及获得高纯度的二硼化锆-碳化硅复合粉体。本专利技术中，碳化硼的加入量优选在原计量比基础上有所增加，是因为制备过程中碳化硼先与二氧化锆反应生成氧化硼，然后氧化硼再与二氧化锆、炭黑生成二硼化锆，而氧化硼在1100℃以上时容易挥发，造成硼源的缺失，使产物中存留未完全反应的二氧化锆和炭黑杂质，因此需要添加适当过量碳化硼补充硼源，减少杂质含量，提高复合粉体的纯度。本专利技术特定的原料才能制备出本专利技术粒径尺寸小，粒径分布窄，并且形貌均一的二硼化锆-碳化硅复合粉体。而以二氧化锆、氧化硼、炭黑和碳化硅为原料时，制备的二硼化锆-碳化硅复合粉体中，二硼化锆和碳化硅颗粒形貌不同，尺寸不均；二硼化锆呈柱状结构，尺寸约1-3μm，而碳化硅为颗粒状，尺寸约0.5-1μm，两者尺寸不一致，且较大。而本专利技术以碳化硼替代氧化硼，减少反应过程中氧化硼的含量，限制了由于氧化硼的的蒸发-凝结动力学造成的二硼化锆尺寸增大的现象；以硅粉替代碳化硅，利用硅与碳及制备过程中生成的一氧化碳反应得到颗粒细小的碳化硅；使得最终得到的二硼化锆-碳化硅复合粉体中，二硼化锆和碳化硅均呈颗粒状结构，形貌均一，尺寸均一，粒径尺寸小，粒径分布窄。本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术以二氧化锆、碳化硼、炭黑和硅粉为原料，原料来源广泛，廉价易得，生产成本低。本专利技术采用一步还原工艺合成二硼化锆-碳化硅复合粉体，工艺简单，设备简单且操作方便、可操作性强，生产周期短，适合工业化生产；同时制备工艺绿色环保，反应过程不会产生有毒有害物质，没有杂质的引入，安全性高。(2)在制备过程中，硼硅酸盐玻璃相的存在会促进二硼化锆颗粒的生长，同时抑制碳化硅的合成；而本专利技术选择硅粉作为硅源，避免了制备过程中氧化硅的存在，从而限制硼硅酸盐玻璃相的生成，进而能够制备颗粒尺寸较小的二硼化锆颗粒，同时促进碳化硅的合成。本专利技术选用特定的原料按上述反应方程式进行反应，结合特定的工艺条件使得本专利技术制备的二硼化锆-碳化硅复合粉体中只含有二硼化锆和碳化硅，产物纯度和收率高，质量好；所制备的复合粉体颗粒平均粒径为100-300nm，粒径尺寸小，粒径分布窄，并且形貌均一，为制备高性能陶瓷材料奠定基础。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的二硼化锆-碳化硅复合粉体的XRD图。图2为本专利技术实施例1制备的二硼化锆-碳化硅复合粉体的扫描电镜照片。图3为本专利技术实施例1制备的二硼化锆-碳化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超细二硼化锆‑碳化硅复合粉体，其特征在于，包括如下摩尔份数的原料制成：二氧化锆1‑3份，碳化硼0.5‑2份，炭黑2‑6份，硅粉0.5‑1.5份。

【技术特征摘要】
1.一种超细二硼化锆-碳化硅复合粉体，其特征在于，包括如下摩尔份数的原料制成：二氧化锆1-3份，碳化硼0.5-2份，炭黑2-6份，硅粉0.5-1.5份。2.根据权利要求1所述的超细二硼化锆-碳化硅复合粉体，其特征在于，所述超细二硼化锆-碳化硅复合粉体，包括如下摩尔份数的原料制成：二氧化锆2份，碳化硼1-1.3份，炭黑4份，硅粉1份。3.根据权利要求1所述的超细二硼化锆-碳化硅复合粉体，其特征在于，所述二氧化锆是平均粒径为5-20μm的二氧化锆微粉。4.根据权利要求1所述的超细二硼化锆-碳化硅复合粉体，其特征在于，所述碳化硼是平均粒径为10-30μm的碳化硼微粉。5.根据权利要求1所述的超细二硼化锆-碳化硅复合粉体，其特征在于，所述炭黑是平均粒径为1-20μm的炭黑微粉。6.根据权利要求1所述的超细二硼化锆-碳化硅复合粉体，其特征在于，所述硅粉是平均粒径为1-20μm的单质硅微粉。7.根据权利要求1所述的超细二硼化锆...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉军，谢冰莹，龚红宇，马丽，景捷，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37