一种毫米级立方氮化硼的合成方法及合成块技术

本发明专利技术公开了一种毫米级立方氮化硼的合成方法，涉及立方氮化硼合成技术领域，包括如下步骤：将六方氮化硼、镁粉、立方氮化硼按比例混合均匀，然后等静压处理，投入压制腔体中压制，再与钛箔片、保温片叠加，得到内部反应芯，放入真空炉还原纯化、降温，再与叶蜡石、堵头、保温环、碳片组装成合成块，放入六面顶压机合成，最后取出柱芯并水洗处理。还公开了用于上述合成方法的立方氮化硼合成块。本发明专利技术通过等静压处理、使用钛片抵消压力损耗、使用金属钛隔离杂质等方式，使合成块的内部压力、温度在合成过程中保持稳定，提高了立方氮化硼晶体质量，解决了现有的立方氮化硼合成工艺难以制备大粒径立方氮化硼颗粒的问题以及合成过程中柱芯收缩严重的问题。柱芯收缩严重的问题。柱芯收缩严重的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种毫米级立方氮化硼的合成方法及合成块


[0001]本专利技术涉及立方氮化硼合成
，具体为一种毫米级立方氮化硼的合成方法及合成块。

技术介绍

[0002]立方氮化硼是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石，远高于其他材料，因此它和金刚石并称为超硬材料。立方氮化硼具有很高的热稳定性和化学惰性，以及良好的透红外性和较宽的禁带宽度，热稳定性远高于金刚石，对铁系金属元素有较大的化学惰性。经过多年的探索，立方氮化硼的合成工艺技术有了很大的进步，但是和石墨在触媒的作用下转变成金刚石一样，目前尚没有系统的完善的合成机理研究。主要是以目前的技术条件，要完成对高温高压下密闭腔体的在线监测是非常困难的。我们只能通过冷却后的合成块现象分析，来判断其生长过程中的状态，从而做出相应的调整手段。目前国内还没有公开能够合成大颗粒(2毫米以上)立方氮化硼的企业，主要原因是按照目前常规的结构和方式进行合成，长大后的立方氮化硼单晶颗粒质量下降严重，无法满足实际的应用需求。
[0003]立方氮化硼的触媒材料一般为金属镁、金属锂或这两种材料的氮化物，容易受到氧化。此外，通过长期经验总结，合成腔体越大，合成后的柱子收缩也越大，常规的组装结构在大腔体的情况下越来越不适用，迫切需要从根本上改变结构状态及生长模式。
[0004]CN105080429B公开了一种毫米级立方氮化硼大单晶的合成方法，使用三元或二元触摸粉末与单质金属混合物作为复合触媒，与高纯度HBN原料混合并制成合成柱，然后再组合成合成块，使用六面顶压机热压合成，再经破碎、水浸等处理得到立方氮化硼晶体，该方法制得的立方氮化硼晶体中，16～20目的颗粒占比可达33％，20～30目的颗粒占比可达35％，但并未公开是否得到了粒径大于16目(1mm)的颗粒及占比。
[0005]CN103320863A公开了一种大尺寸八面体立方氮化硼单晶的合成方法，使用六方氮化硼和金属锂制备合成块的方法，采用升压至4GPa，加热至1500℃，再升压至4.8GPa保温保压，最大晶体尺寸400μm，距离粒径达到2mm存在较大差距。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于：提供一种毫米级立方氮化硼的合成方法，以解决现有的立方氮化硼合成工艺难以制备大粒径立方氮化硼颗粒的问题。
[0007]本专利技术的目的还在于，提供一种立方氮化硼合成块，以解决常规的组装结构在合成后柱芯收缩较严重的问题。
[0008]本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]一种毫米级立方氮化硼的合成方法，包括如下步骤：
[0010]S1：按重量份计，将六方氮化硼80～90份、镁粉8～17份、立方氮化硼2～3份混合均匀，其中六方氮化硼粒径为800～1000目，立方氮化硼粒径为100～140目；
[0011]S2：对混合后的粉料进行等静压处理，使其压实；
[0012]S3：将一半的粉料投入到压制腔体中，用压杆轻压赶平，再放入一个两面凸起的钛片，投入另一半粉料，使用压机压制成一个整体，得到组合体；
[0013]S4：准备一个碳管，所述碳管内部附有一层0.1mm左右的钛，所述碳管的内径与组合体的外径相当，将所述组合体放入碳管；
[0014]S5：在碳管两端对称放置钛箔片、保温片，并使所述钛箔片、保温片、组合体的叠加高度等于碳管高度，得到内部反应芯；
[0015]S6：将所述内部反应芯置于真空炉，在800～850℃下通氢气还原纯化，自然降温到60～80℃，保存待用；
[0016]S7：将内部反应芯与叶蜡石、堵头、保温环、碳片组装成合成块；
[0017]S8：将所述合成块在氮气气氛中保温；
[0018]S9：将保温后的合成块取出，放入六面顶压机，合成2～3小时，缓慢泄压，得到合成后的柱芯；
[0019]S10：将S9中得到的柱芯进行水洗处理，即得毫米级立方氮化硼颗粒。
[0020]优选的，步骤S2中，等静压处理的压力为15～20Mpa，压实后的密度为1.5～2.0g/cm3。
[0021]优选的，步骤S3中，所述钛片在水平面的投影呈圆形，所述钛片的直径与压制腔体的内径等同。
[0022]优选的，步骤S4中，将长条形钛箔条卷入碳管内部伸展开，使其附着在碳管内壁，得到内壁附着有一层钛的碳管。
[0023]优选的，步骤S6中，自然降温到60～80℃后，通氮气到微正压，保存待用。
[0024]优选的，步骤S8中，保温温度为120℃，保温时间为1～2小时。
[0025]优选的，步骤S9中，合成方法如下：先升压至50Mpa，保压15分钟，之后升压到60～85Mpa，保压2～3小时，之后开始泄压，开始泄压后压机功率在0.5小时内降低至零。
[0026]优选的，步骤S9中，第一次升压到40Mpa时开始加热，第一次升压到50Mpa时加热功率达到最大值，保压过程中加热功率保持线性降低，保压结束时的加热功率不小于最大值的80％。
[0027]本专利技术还提供了一种立方氮化硼合成块，包括叶蜡石、内衬、堵头、保温环、碳片、内部反应芯，所述碳片包括第一碳片、第二碳片，所述内部反应芯位于合成块中央，所述内部反应芯的上下侧由内至外依次设有第一碳片、保温环、第二碳片、堵头，所述内部反应芯的外侧由内至外依次设有内衬、叶蜡石，所述保温环的中央设有导电铁柱，所述导电铁柱的上下端分别与第二碳片、第一碳片接触。
[0028]优选的，所述堵头由钢碗及钢碗内部的填芯组成。
[0029]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0030](1)通过对原料进行等静压处理，能够将混合的物料内部间隙尽量减小，有利于内部增压，使得合成柱密度上升，能更多地投入原料，为生长大颗粒立方氮化硼提供充足的六方氮化硼；
[0031](2)在组合体中设置一个双面凸起的钛片，使合成过程中柱芯内部压力均衡，可抵消合成过程中柱子中心压力低外围高的情况，解决合成后柱芯收缩较严重的问题，其次具
有导电作用，在合成过程中使内部温度场更加均匀，有利于合成块内部的晶体生长；
[0032](3)在碳管内部附着一层金属钛，并在两端设置金属钛箔片，可组成一个密闭的隔绝空间，杜绝合成块边缘的杂质进入合成腔体内部，影响晶体质量，在高温条件下，金属钛还具有除氧功能，为合成高品级大颗粒提供一个洁净的生长空间；
[0033](4)将反应芯进行真空氢气纯化，可以除去反应芯内部吸附的游离氧以及化合态的氧，避免触媒发生氧化，并将前面工序中产生的氧化物还原，为生长提供了保障；
[0034](5)在还原纯化后向真空炉通入氮气并保持微正压，可确保开炉的时候不被外界空气二次氧化或吸潮；
[0035](6)由于在长时间合成过程中是一个失压和放热的过程，通过采用缓慢升压和缓慢降温的合成方式，可平衡内部生长过程中由于氮化硼的结构转变导致的压力损耗的温度升高，使其内部生长始终处于一种稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米级立方氮化硼的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：按重量份计，将六方氮化硼80～90份、镁粉8～17份、立方氮化硼2～3份混合均匀，其中六方氮化硼粒径为800～1000目，立方氮化硼粒径为100～140目；S2：对混合后的粉料进行等静压处理，使其压实；S3：将一半的粉料投入到压制腔体中，用压杆轻压赶平，再放入一个两面凸起的钛片，投入另一半粉料，使用压机压制成一个整体，得到组合体；S4：准备一个碳管，所述碳管内部附有一层厚度为0.1mm
±
0.05mm的钛，所述碳管的内径与组合体的外径相当，将所述组合体放入碳管；S5：在碳管两端对称放置钛箔片、保温片，并使所述钛箔片、保温片、组合体的叠加高度等于碳管高度，得到内部反应芯；S6：将所述内部反应芯置于真空炉，在800～850℃下通氢气还原纯化，自然降温到60～80℃，保存待用；S7：将内部反应芯与叶蜡石、堵头、保温环、碳片组装成合成块；S8：将所述合成块在氮气气氛中保温；S9：将保温后的合成块取出，放入六面顶压机，合成2～3小时，缓慢泄压，得到合成后的柱芯；S10：将S9中得到的柱芯进行水洗处理，即得毫米级立方氮化硼颗粒。2.如权利要求1所述的一种毫米级立方氮化硼的合成方法，其特征在于，步骤S2中，等静压处理的压力为15～20Mpa，压实后的密度为1.5～2.0g/cm3。3.如权利要求1所述的一种毫米级立方氮化硼的合成方法，其特征在于，步骤S3中，所述钛片在水平面的投影呈圆形，所述钛片的直径与压制腔体的内径等同。4.如权利要求1所述的一种毫米级立方氮化硼的合成方法，其特征在于，步骤S4中，将长条形钛箔...

【专利技术属性】
技术研发人员：王学峰，刘璐，薛海彬，高振民，韩顺利，陈红卫，刘卫民，
申请(专利权)人：开封贝斯科超硬材料有限公司，
类型：发明
国别省市：