一种纳米碳化硼及其制备方法技术

一种纳米碳化硼及其制备方法，属于陶瓷材料领域。纳米碳化硼的制备方法包括：将碳源与硼源的复合粉体在真空或惰性气氛中，以及1350～2200℃的温度条件下煅烧，碳源为酚醛树脂，硼源包括氧化硼或硼酸。利用该方法能制备得到粒径分布均匀、纯度高的纳米碳化硼。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米碳化硼及其制备方法
本专利技术涉及陶瓷材料领域，且特别涉及一种纳米碳化硼及其制备方法。
技术介绍
碳化硼(B4C)是一种具有低密度、高熔点和极高硬度的陶瓷材料，可以作为优异的防护、耐磨材料使用，且在轻质防弹装甲材料中有着广泛的应用。由于碳化硼共价键很强、烧结过程中晶界移动阻力大且固态时表面张力很小，因此，碳化硼是一种极难烧结致密的陶瓷材料。根据固相烧结理论，为了制备高致密度、高力学性能的碳化硼单相陶瓷制品，需要以粒径小(纳米级)、形貌规则且均匀(单分散球形)的高纯碳化硼粉体为原料。目前工业上主要以炭黑、石墨粉等为碳源，利用碳热还原法、镁热还原法制备碳化硼粉体。其中，碳热还原法主要在碳管炉或电弧炉中制备，得到的粉体粒径在20μm以上，且粒径分布不均匀。近几年，有报道利用石墨烯为碳源，氧化硼或硼酸等含硼化合物为硼源，利用碳热还原法制备了纳米级碳化硼粉体。但是，由于氧化硼与石墨烯反应时首先在石墨烯边缘处反应，随后再扩展至石墨烯层状结构内部。石墨烯边缘和内部与氧化硼发生碳热还原反应在时间上的不同步，使得所制备的碳化硼粉体单分散性不理想，粒径均匀度不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米碳化硼的制备方法，利用该方法能制备得到粒径分布均匀的纳米碳化硼。本专利技术的另一目的在于提供一种纳米碳化硼，其粒径分布均匀。本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本专利技术提出一种纳米碳化硼的制备方法，包括：将碳源与硼源的复合粉体在真空或惰性气氛中，以及1350～2200℃的温度条件下煅烧，碳源为酚醛树脂，硼源包括氧化硼或硼酸。一种纳米碳化硼，其由上述的纳米碳化硼的制备方法制得，纳米碳化硼为粉体，且纳米碳化硼的微观结构形貌为球形。本专利技术实施例的有益效果是：本申请的纳米碳化硼的制备方法中，以酚醛树脂为碳源，在1350～2200℃的温度下进行煅烧，酚醛树脂能够裂解为厚度仅为10nm左右的高活性片状结构碳，裂解后的高活性片状结构碳具有较高的活性和较薄的厚度，从而能够促使氧化硼可以直接与整个片状结构中的碳同步发生更加均匀的碳热还原反应，从而使得煅烧后得到的粉体中的碳化硼粒径分布均匀。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1为本专利技术实施例1制备得到的粉体的XRD图谱；图2为本专利技术实施例2中煅烧后得到的粉体的XRD图谱；图3为本专利技术实施例2中煅烧后得到的粉体的SEM测试图；图4为本专利技术实施例2中经除碳热处理后的得到的粉体的XRD图谱；图5为本专利技术实施例2中经除碳热处理后的得到的粉体的SEM测试图；图6为本专利技术实施例2中经除氧化硼热处理后的得到的粉体的XRD图谱；图7为本专利技术实施例2中经除氧化硼热处理后的得到的粉体的SEM测试图；图8a为酚醛树脂单独裂解后的SEM测试图；图8b为酚醛树脂单独裂解后的SEM测试图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本专利技术实施例的一种纳米碳化硼及其制备方法进行具体说明。一种纳米碳化硼的制备方法，包括：将碳源与硼源的复合粉体在真空或惰性气氛中，以及1350～2200℃的温度条件下煅烧，碳源为酚醛树脂，硼源包括氧化硼或硼酸。以酚醛树脂为碳源，在1350～2200℃的温度下进行煅烧，酚醛树脂在具有氧化硼的情况下能够裂解为厚度仅为10nm左右的高活性片状结构碳，裂解后的高活性片状结构碳具有较高的活性和较薄的厚度，从而能够促使氧化硼可以直接与整个片状结构中的碳同步发生更加均匀的碳热还原反应，从而使得煅烧后得到的粉体中的碳化硼粒径分布均匀。在本实施例中，碳源与硼源的混合方式可以为搅拌或球磨。如果混合方式为湿法混合，则需将混合后的浆料烘干以得到复合粉体。需要说明的是，当硼源为硼酸时，硼酸在1350～2200℃的温度下煅烧的过程中会分解成氧化硼，即酚醛树脂实质上也是和氧化硼反应。本实施方式的硼源包括但不限于氧化硼和硼酸，只要满足硼源在煅烧过程会产生氧化硼即可。经申请人研究发现，酚醛树脂与氧化硼之间具有相互作用，只有在具有氧化硼的情况下，酚醛树脂才能裂解为片状结构的碳。在酚醛树脂单独存在的情况下，只能裂解为块状结构的碳。由于酚醛树脂在煅烧的过程中，酚醛树脂中的C不能全部转换为可以利用的碳，其中一部分会以碳氢化合物气体的形式逸出。因而在一些实施方式中，碳源中的残碳与硼源中的B2O3的摩尔比为0.5～4。在一些实施方式中，碳源中的残碳与硼源中的B2O3的摩尔比为1～3。当硼源为硼酸时，即可以认为1mol的硼酸含有0.5mol的B2O3。需要说明的是，碳源中的残碳即代表可以利用的高活性片状结构碳。酚醛树脂的质量乘以残碳率即可得到酚醛树脂的残碳量。残碳量除以12即可得到残碳的物质的量。其中，碳源的残碳率的确定由以下方法进行确定的：事先称取重量为m1的碳源，然后在对应的煅烧温度下煅烧对应的时间，煅烧后留存下来的即为可利用碳，留存下来的碳重量为m2，则对应的残碳率为(m2/m1)×100％。另外，对应的煅烧温度以及对应的煅烧时间指的是每个具体的实施例中制备纳米碳化硼的步骤中对应的温度和时间。经测试，在本实施方式的煅烧温度范围和对应的煅烧时间，酚醛树脂的残碳率大约是36～41％。根据碳源和硼源中的残碳/B2O3的摩尔比和煅烧温度的不同，可能会得到碳化硼单相粉体或者是碳化硼、碳和氧化硼的复相粉体。在一些实施方式中，煅烧温度为1500～2100℃。在一些实施方式中，煅烧温度为1600～2000℃。在一些实施方式中，煅烧温度为1700～1800℃。为了保证能够得到纯度较高的碳化硼粉体，本实施方式的纳米碳化硼的制备方法还包括：将煅烧后得到的粉体在氧气气氛中，以及400～1100℃的温度下进行除碳热处理。与反应生成的碳化硼相比，裂解得到的高活性片状碳与氧气反应的活性更高。因而，当煅烧得到的粉体中含有遗留的碳时，碳源已变成高活性片状碳，高活性片状碳与氧气反应生成CO2或CO并排出，以除去遗留的碳。同时，碳化硼粉体颗粒的外层与氧气反应生成氧化硼球壳。在一些实施方式中，除碳热处理过程的升温速率为10～20℃/min。在一些实施方式中，除碳热处理的时间为0.1～4h。在一些实施方式中，除碳热处理的时间为1～3h。为了除掉除碳热处理后和碳热还原反应后遗留的氧化硼，本实施例方式还包括：将除碳热处理后得到粉体在真空或者惰性气氛中，以及1050～1500℃的温度下进行除氧化硼热处理。碳热还原反应遗留的氧化硼以及除碳热处理后形成的氧化硼球壳在1050～1500℃的温度下能够以氧化硼蒸汽的形式挥发并排出。在一些实施方式中，除氧化硼热处理的温度为1200～1400℃。在一些实施方式中，除氧化硼热处理的时间为0.1～6h。在一些实施方式中，除氧化硼热处理的时间为1～5h。在一些实施方式中，除氧化硼热处理的时间为2～4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米碳化硼的制备方法，其特征在于，包括：将碳源与硼源的复合粉体在真空或惰性气氛中，以及1350～2200℃的温度条件下煅烧，所述碳源为酚醛树脂，所述硼源包括氧化硼或硼酸。

【技术特征摘要】
1.一种纳米碳化硼的制备方法，其特征在于，包括：将碳源与硼源的复合粉体在真空或惰性气氛中，以及1350～2200℃的温度条件下煅烧，所述碳源为酚醛树脂，所述硼源包括氧化硼或硼酸。2.根据权利要求1所述的纳米碳化硼的制备方法，其特征在于，所述碳源中的残碳与所述硼源中的B2O3的摩尔比为0.5～4。3.根据权利要求2所述的纳米碳化硼的制备方法，其特征在于，所述碳源中的残碳与所述硼源中的B2O3的摩尔比为1～3。4.根据权利要求1～3任一项所述的纳米碳化硼的制备方法，其特征在于，还包括：将煅烧后得到的粉体在氧气气氛中，以及400～1100℃的温度下进行除碳热处理。5.根据权利要求4所述的纳米碳化硼的制备方法，其特征在于，所述除碳热处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏红康，邓翔宇，赵林，汪长安，谢志鹏，毛苗妙，
申请(专利权)人：景德镇陶瓷大学，
类型：发明
国别省市：江西,36