一种高效制备纳米碳化硼粉末的方法技术

本发明专利技术公开了一种高效制备纳米碳化硼粉末的方法。将一定量的硼源、碳源和水按照一定比例均匀混合，控制温度进行搅拌，使均匀混合后的硼源和碳源原料发生酯化反应，控制一定时间待反应完全后，在一定温度下蒸干溶剂得到凝胶状物质，将凝胶状物质烘干得到碳化硼前驱体，将前驱体研磨成细粉状后，置于有保护性气体的高温烧结装置中进行脱脂或脱水反应以去除有机物，控制保温时间和温度，最终得到纳米碳化硼粉末。该发明专利技术克服了现有碳化硼制备工艺纯度低、产率低、粉末粒度不均、粒径大等缺陷，可有效降低碳化硼的生产成本并拓展其在工业上的应用价值。上的应用价值。上的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种高效制备纳米碳化硼粉末的方法


[0001]本专利技术公开了一种高效制备纳米碳化硼粉末的方法，属于纳米陶瓷材料


技术介绍

[0002]碳化硼，别名黑钻石，分子式为B4C，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），用于坦克车的装甲、避弹衣和很多工业应用品中。它的摩氏硬度为9.3，碳化硼的超高的硬度使其在作为防弹材料、充当蓝宝石磨料方面有极其重要的作用；碳化硼低密度、耐腐蚀、化学性质稳定的特点使其在航天领域有着十足的优势可作为火箭中重要的零部件材料；其良好的中子吸收性使其在核反应堆中常充当中子吸收材料、控制材料和屏蔽材料。在大多数情况下，因碳化硼(B4C)作控制材料，可以满足高温反应堆的要求。在碳化硼中提高B10元素的浓度，可以提高硼材料的控制效率。
[0003]工业用碳化硼主要制取方法是碳管炉、电弧炉碳热还原法和自蔓延合成法镁热法。碳管炉、电弧炉碳热还原法是合成B4C粉末的最古老的方法，将硼单质或含硼的化合物与碳粉或含碳的化合物均匀混合后放在高温设备，例如电管炉或电弧炉中，通以保护气体Ar或N2气在一定的温度下合成粉末。由于硼酸和硼酐分别在低温和高温下有较大的挥发性，所以通常加入过量的硼酸和硼酐，才能获得高纯和稳定的粉。此种方法合成粉末的优点是设备结构简单、占地面积小、投资小、建成速度快、工艺操作成熟、稳定和容易控制；但是同时存在很多问题，由于电弧的温度高，炉区温差大，在中心部分的温度可能超过碳化硼的熔点，使其发生包晶分解，析出游离碳和其它高硼化合物，而远离中心的地方温度偏低，反应进行不完全，残留的氧化硼和碳以游离碳和游离硼的形式存在于碳化硼粉中。因而制得的碳化硼粉含有较高的游离碳和游离硼。同时存在能耗大、生产能力较低、高温下对炉体的损坏严重等问题，尤其是合成的粉末平均粒径大（20
‑
40μm），可以直接用于磨料，而作为烧结B4C的原料还需要大量的破碎处理工序，大大增加了生产成本。
[0004]自蔓延高温合成法是利用化合物合成时的反应热，使反应进行下去的一种合成方法。目前已成功制备了多种高纯度的陶瓷粉末，例如B4C、BN等。由于此法制备B4C时多以Mg作为助熔剂，故又称镁热法。通过B2O3
‑
Mg
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C体系的自蔓延高温还原反应制备出原始粒径为0.4μm的B4C粉末。与其它传统方法相比，具有反应温度较低（1273
‑
1473K）、节约能源（利用外部能源点火后，仅靠反应放出的热量即可使燃烧波进行下去）、反应迅速及容易控制等优点，所以合成出的B4C粉纯度较高而且原始粉末粒度较细（0.1
‑
4μm），一般不需要再破碎处理，是目前合成B4C粉的较佳方法；缺点是反应物中残留的MgO必须用附加工艺洗去。MgO是一种难溶碱性氧化物，可以与强酸发生反应而生成溶于酸的盐MgCl2，MgCl2溶于水,但是此法只可有限地除去,极难彻底去除杂质。

技术实现思路

[0005]本专利技术方法通过低温下制得前驱体，使得硼原子和碳原子在分子尺度上混合均
匀，烧结前驱体后得到纳米粉体，相比较传统烧结方法耗时长，产率低的特点，大大降低了B4C合成温度，提高了粉体纯度，开发出一种高效合成纳米碳化硼的方法，具有广阔的工业应用前景。
[0006]为实现以上目的本专利技术提出一种高效制备纳米碳化硼粉末的方法，其特征在于，将硼源、碳源和水按照均匀混合成水溶液，控制温度进行搅拌，使均匀混合后的硼源和碳源原料发生酯化反应，待反应完全后，蒸干溶剂得到凝胶状物质，将凝胶状物质烘干得到碳化硼前驱体，将前驱体研磨成细粉状后，置于有保护性气体的高温烧结装置中进行脱脂或脱水反应以去除有机物，控制升温速度、保温时间和烧结温度，最终得到纳米碳化硼粉末。
[0007]优选的，硼源包括硼酸（H3BO3）、氧化硼（B2O3），碳源包括不限于葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉，聚醇类，如PVA（聚乙烯醇）、聚丙烯醇、聚醚醇；所述碳源中都含有羟基（OH），在水溶液中能与硼源发生酯化反应；所述硼源和碳源的配比根据碳源中的羟基数而定，如每个聚乙烯醇单元有1个羟基，每个葡萄糖分子中有5个羟基，淀粉分子每个单元是3个羟基，而蔗糖分子中有8个羟基。硼源和碳源的摩尔比根据硼原子和羟基的摩尔比1：（3
‑
4.2）确定。
[0008]优选的，蒸干溶剂前，需将所述水溶液水浴加热至65℃
‑
95℃范围恒定温度并电磁搅拌，使得溶质完全溶解，水溶液呈透明状态。
[0009]优选的，发生酯化反应并蒸干溶剂时，所述水溶液温度控制在65
‑
95℃，蒸干溶剂的方法包括不限于水浴式电磁搅拌法、鼓风干燥箱法、真空干燥箱法。
[0010]优选的，所述凝胶状物质需要进行干燥，干燥温度范围为110
‑
180℃，干燥时间范围为0.5
‑
3.5h，干燥方法包括鼓风干燥箱法或真空干燥箱法。
[0011]优选的，所述烘干凝胶需要进行热解处理，热解温度范围为500
‑
900℃，升温速率范围为10
‑
35℃/min，保温时间范围为1.5
‑
5h；由于热解过程固体发生体积膨胀，热解用器皿容积应为样品体积的3
‑
5倍，待冷却后得到黑色海绵状前驱体。
[0012]优选的，所述黑色海绵状前驱体需要放于玛璃研钵中研磨成粉，粉末在惰性保护性气氛中高温烧结，气流流速范围为50
‑
700mL/min，升温速率范围为5
‑
35℃/min，升温至烧结温度范围为1000
‑
1800℃，保温时间范围为3
‑
8h，冷却后得到纳米碳化硼粉末；所述惰性保护气体可以是单一的氩气或氮气，也可以是多种惰性气体的混合。
[0013]优选的，所述高温烧结装置可以是传统高温炉也可以是激光烧结装置。本专利技术的有益效果是：该专利技术克服了现有碳化硼制备工艺纯度低、产率低、粉末粒度不均、粒径大等缺陷，可有效降低碳化硼的生产成本并拓展其在工业上的应用价值。
附图说明
[0014]图1硼酸和PVA为原料水浴式电磁搅拌法制得的白色半透明凝胶。
[0015]图2硼酸和PVA为原料，制得白色半透明凝胶干燥后得到的淡黄色固体。
[0016]图3进行热解处理冷却后得到的黑色海绵状前驱体。
[0017]图4 蔗糖：硼酸的摩尔比为1：3时产物的XRD图。
具体实施方式
[0018]下面通过具体实施例进一步描述本专利技术：实施例1将硼酸和PVA按照1：4摩尔比例混合，均匀搅拌溶于75℃热水中，在水溶液水浴中持续加热搅拌，控制温度85℃，使得溶质完全溶解，此时水溶液呈透明状态。恒温进行酯化反应，待反应完全后，蒸干溶剂，此过程应保证水溶液温度控制在90℃，采用真空干燥箱进行干燥，干燥温度115℃，干燥时间2h，得到凝胶状固体。然后对干凝胶进行热解处理，温度为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效制备纳米碳化硼粉末的方法，其特征在于，将硼源、碳源和水按照均匀混合成水溶液，控制温度进行搅拌，使均匀混合后的硼源和碳源原料发生酯化反应，待反应完全后，蒸干溶剂得到凝胶状物质，将凝胶状物质烘干得到碳化硼前驱体，将前驱体研磨成细粉状后，置于有保护性气体的高温烧结装置中进行脱脂或脱水反应以去除有机物，控制升温速度、保温时间和烧结温度，最终得到纳米碳化硼粉末。2.根据权利要求1所述的一种高效制备纳米碳化硼粉末的方法，其特征在于，硼源包括硼酸（H3BO3）、氧化硼（B2O3），碳源包括不限于葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉，聚醇类，如PVA（聚乙烯醇）、聚丙烯醇、聚醚醇；所述碳源中都含有羟基（OH），在水溶液中能与硼源发生酯化反应；所述硼源和碳源的配比根据碳源中的羟基数而定，如每个聚乙烯醇单元有1个羟基，每个葡萄糖分子中有5个羟基，淀粉分子每个单元是3个羟基，而蔗糖分子中有8个羟基；硼源和碳源的摩尔比根据硼原子和羟基的摩尔比1：（3
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4.2）确定。3.根据权利要求1所述的一种高效制备纳米碳化硼粉末的方法，其特征在于，蒸干溶剂前，需将所述水溶液水浴加热至65℃
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95℃范围恒定温度并电磁搅拌，使得溶质完全溶解，水溶液呈透明状态。4.根据权利要求1所述的一种高效制备纳米碳化硼粉末的方法，其特征在于，发生酯化反应并蒸干溶剂时，所述水溶液温度控制在65
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95℃，蒸干溶剂的方法包括不限于水浴式电磁搅拌法、鼓风干燥箱法、真空...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾和平，黄延伟，胡梦云，乔蔚，
申请(专利权)人：上海朗研光电科技有限公司华东师范大学重庆研究院华东师范大学，
类型：发明
国别省市：