一种碳化硼纳米片的制备方法技术

本发明专利技术属于超硬材料技术领域，具体涉及一种碳化硼纳米片的制备方法。本发明专利技术首先将原料混合经冷冻干燥，接着经气流粉碎混合，然后经预压成型、冷等静压成片状物，然后通过放电等离子烧结制得碳化硼纳米片。利用该方法利用放电等离子烧结体加热和表面活化，实现材料的超快速致密化烧结，不仅可以制得纯度高、致密度高、缺陷少的纳米片，且操作简单、能耗低、合成时间短，能实现大规模生产，弥补了现有技术的不足。不足。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硼纳米片的制备方法


[0001]本专利技术属于超硬材料
，具体涉及一种碳化硼纳米片的制备方法。

技术介绍

[0002]碳化硼(boron carbide)，又被人们称为黑钻石，通常为灰黑色微粉，是已知最坚硬的三种材料之一(其他两种为金刚石、立方相氮化硼)。因具有密度低、强度大、高温稳定性以及化学稳定性好的特点，在耐磨材料、陶瓷增强相，尤其在轻质装甲，反应堆中子吸收剂等方面广泛使用。此外，和金刚石和立方氮化硼相比，碳化硼制造容易、成本低廉，因而使用更加广泛。
[0003]二维纳米片是一类具有二维平面结构、横向维度从几个纳米到几个微米但厚度仅有零点几或几个纳米的无机材料，二维纳米片以其独特的结构、电子性能、表面化学环境将成为未来重要的一类功能性材料。目前制备超薄无机二维纳米片的方法，大体可分为“自上而下”和“自下而上”两类，自上而下”法亦可称为“剥离”法，“自下而上”即通过控制组成纳米片的小分子前驱体和反应条件，利用溶剂热法、化学气相沉积法等一步直接制备纳米片的方法。
[0004]现有的工业上制备碳化硼粉体的方法，主要有电弧炉碳热还原法、元素直接制备、化学气相沉积、溶胶凝胶碳热还原法等方法，这些方法均无法得到具有择优取向的碳化硼纳米片，并且传统的电炉热传导速率很慢，反应时间较长，炉心温度过高，会引起碳化硼分解，也促进了碳化硼晶粒的长大和颗粒的团聚，合成的粉末粒径大、均一性差。
[0005]放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering)是20世纪90年代出现的材料制备技术。SPS的主要特点是利用体加热和表面活化，实现材料的超快速致密化烧结，SPS技术具有热压、热等静压技术无法比拟的优点，升温速率快，烧结温度相对较低，烧结时间较短(5～20min)，生产效率高、耗能少。现有技术中，CN102731110A公开了一种快速制备碳化硼陶瓷粉体的方法，包括：1)按按蔗糖与溶剂乙酸的配比＝(7～8)g:50mL，选取溶剂乙酸；硼酸三甲酯与蔗糖的物质量比为12:1～12:3、硼酸三甲脂、甲醇、螯合剂乙酸、水的体积比为6:40:1:1～6:80:2:4选取原料；2)干凝胶粉的制备；3)前驱体粉的制备；4)前驱体粉的热处理。该方法利用脉冲电流以高的升温速率和短的保温时间条件下进行碳热还原反应，合成过程短、纯度高，且无后除碳处理，粉体平均粒径小在100～500nm范围内，无法形成排列规则的碳化硼纳米片。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种碳化硼纳米片的制备方法，首先将原料冷冻干燥，接着经气流粉碎混合，然后经预压、冷等静压成片状物，然后通过放电等离子烧结制得碳化硼纳米片，利用该方法不仅可以制得纯度高、致密度高、缺陷少的纳米片，且操作简单、能耗低、合成时间短，能实现大规模生产，弥补了现有技术的不足。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案包括下述项[1]～[3]。
[0008][1]一种碳化硼纳米片的制备方法，包括以下步骤：
[0009]1)首先将硼源、碳源按照3～6:1的摩尔比混合，加入1.2～3.5％的烧结助剂，将混合物放入真空冷冻干燥机中进行冷冻干燥，控制温度为
‑
20～
‑
60℃，真空度为10～30Pa，冷冻干燥2～8h得混合粉体；
[0010]2)然后将混合粉体以100～120g/min的给料速度加入到气流粉碎机中粉碎30～90s，保持气流粉碎机内压力为0.8～3.5MPa，温度为20～30℃，气流速度为150～250m/s；然后将粉体进行第二次粉碎，控制给料速度180～250g/min，压力为4.2～8.5MPa，温度为20～30℃，气流速度为250～450m/s，粉碎时间为1～2min；
[0011]3)将步骤2)得到的混合粉体在8～16MPa下预压成型，然后在200～300MPa压力下冷等静压得到片状物；
[0012]4)将步骤3)得到的片状物置于烧结炉中，将烧结炉内抽真空至真空度为4～8Pa，通电升温，烧结炉升温至1000～1300℃，保温30～60min；然后将烧结炉降温至800～1000℃，控制烧结炉内真空度为20～30KPa，反应10～20min，反应结束后将其取出并自然冷却至室温，将产物用去离子水清洗3～8次，然后在80～100℃烘箱中干燥超过4h，得到碳化硼纳米片。
[0013]本申请首先将原料混合经冷冻干燥，接着经气流粉碎混合，然后经预压成型、冷等静压成片状物，然后通过放电等离子烧结制得碳化硼纳米片。其中，冷冻干燥有利于缩短粉体进一步粉碎时间，并且可以粉碎成更小粒径；气流粉碎过程可以使物料充分混合混匀、且可以将物料粉碎为纳米级，颗粒越小颗粒间接触面积越大，两次气流粉碎可以明显缩短气流粉碎时间、得到的粉体粒径更细，减少能量损耗；冷等静压步骤可以作减少了颗粒间的空气含量，增加了颗粒间的接触面积，有利于提高合成转化率。并且使其在升高温度下能获得更高强度；放电等离子烧结快速，可以有效减少气孔的产生，反应温度低、节约能源，产物纯度高。
[0014]进一步地，步骤1)所述硼源为氧化硼、硼酸、硼酸钠、硼酸铵中的一种，且为粉体。
[0015]进一步地，步骤1)所述碳源为聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇中的一种，且为粉体。
[0016]更进一步地，所述聚乙烯、聚丙烯的聚合度为DP＝1600～1700，聚乙烯醇的聚合物为DP＝1300～1700。
[0017]进一步地，步骤1)所述烧结助剂为氧化镁、氧化铝、氧化硅中的至少一种。
[0018]进一步地，步骤2)气流粉碎过程中还加入混合比为1:3～6的三乙醇胺、焦炭作粉碎助剂，其中第一次气流粉碎过程加入量为粉体重量的0.1～0.8％，第二次加入量为粉体重量的0.6～1.3％。气流粉碎过程可以使物料充分混合混匀，颗粒越小颗粒间接触面积越大，两次气流粉碎可以明显缩短气流粉碎时间，可以将物料粉碎为纳米级；粉碎助剂的加入可以在粉磨过程中显著降低粉体表面能，克服粉体间的吸引力，消除了因物料摩擦而产生的静电，有效减少粉体的凝聚、有助于粉体的分散，提高气流粉碎效率。
[0019]进一步地，所述步骤4)中升温是指从室温开始在20～40min内升温预热至200～500℃后并保温30～50min，然后再在20～30min内升温至1000～1300℃并保温30～60min。预热可以除去反应物料中的结晶水，而且有利于合成转化率的提高。
[0020]进一步地，所述步骤4)中得到的碳化硼纳米片厚度为2～5nm。
[0021][2]碳化硼纳米片，所述碳化硼纳米片以项[1]所述方法制备得到。
[0022][3]项[1]～[2]任一项所述碳化硼纳米片在半导体材料等热电材料、高性能材料中的应用。
[0023]进一步地，所述应用包括利用项[1]～[2]任一所述碳化硼纳米片作为主要原料来制备半导体材料、高性能陶瓷等。
[0024]本专利技术由于应用硼源、碳源、烧结助剂经气流粉碎混合，然本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硼纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)首先将硼源、碳源按照3～6:1的摩尔比混合，加入1.2～3.5％的烧结助剂，将混合物放入真空冷冻干燥机中进行冷冻干燥，控制温度为
‑
20～
‑
60℃，真空度为10～30Pa，冷冻干燥2～8h得混合粉体；2)然后将混合粉体以100～120g/min的给料速度加入到气流粉碎机中粉碎30～90s，保持气流粉碎机内压力为0.8～3.5MPa，温度为20～30℃，气流速度为150～250m/s；然后将粉体进行第二次粉碎，控制给料速度180～250g/min，压力为4.2～8.5MPa，温度为20～30℃，气流速度为250～450m/s，粉碎时间为1～2min；3)将步骤2)得到的混合粉体在8～16MPa下预压成型，然后在200～300MPa压力下冷等静压得到片状物；4)将步骤3)得到的片状物置于烧结炉中，将烧结炉内抽真空至真空度为4～8Pa，通电升温，烧结炉升温至1000～1300℃，保温30～60min；然后将烧结炉降温至800～1000℃，控制烧结炉内真空度为20～30KPa，反应10～20min，反应结束后将其取出并自然冷却至室温，将产物用去离子水清洗3～8次，然后在80～100℃烘箱中干燥超过4h，得到碳化硼纳米片。所述步骤2)两次气流粉碎过程中，还加入混合比为1:3～6的三乙醇胺...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：沧州硕金生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：