氮化硼纳米管原位复合陶瓷粉及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种氮化硼纳米管原位复合陶瓷粉及其制备方法，其特征在于将Ｂ２Ｏ３、Ｍｇ、ＴｉＢ２和ＴｉＯ２粉末原料混合，在７００～８５０℃下经加热引发自蔓延反应即可获得含Ｔｉ、Ｂ、Ｍｇ、Ｏ的多孔型固体前驱体，再经过化学反应和退火处理得到粗产物，其中氮化硼纳米管和ＴｉＮ晶粒是在退火处理中生成，所得粗产物经过分离提纯即可。本发明专利技术的有益效果在于以下：（１）采用原位复合技术，氮化硼纳米管在多孔前驱体颗粒基体上生长形成，使其与基体材料ＴｉＮ、ＴｉＢ２均匀混合分散。（１）以简单易得的原料通过自蔓延法制备多孔型固体前驱体，然后直接与氨气反应获得氮化硼纳米管原位复合陶瓷粉，制备工艺简单，成本低廉，适合工业生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米材料和陶瓷材料及其制备领域，具体的是涉及一种氮化硼纳米管 原位复合陶瓷粉及其制备方法。
技术介绍
众所周知，包括TiN、TiB2在内，许多过渡金属的氮化物、硼化物和碳化物材料都是硬质材料，其硬度大约为20 30GPa。这些材料的硬度和强度，还可以通过适当的纳米构造 而得到大幅度的提高，从而获得超强、超硬材料。将这些硬质材料的纳米晶粒通过特定的组 织材料构建在一起，其硬度可以达40 lOOGPa，可与金刚石材料的硬度媲美(金刚石材料 硬度70 IOOGPa)。组织材料一般选择Si3N4、BN或其它一些无极非金属共价型氮化物，用 于形成诸如 MxN/Si3N4 (Μ = Ti、W、V 等)、TixAl1^xN, TiN/TiSi2/Si3N4、TiN/TiB2/BN 等新型高 性能复合材料。通过加入少量BN，在TiN、TiB2硬质晶粒形成阻止其位移和材料塑性变形的 障碍层，从而可以显著提高材料的力学性能。已有报道制备TiN/TiB2/BN薄膜材料，是通过等离子增强化学气相沉积(PVCD， plasmaenhanced chemical vapor deposition) gJc Jx. IS M β! H 身寸(RMS, reactive magnetron sputtering)方法制备的。例如使用PVCD法在550 6001和N2气氛中制备 TiN/BN纳米复合薄膜，最大硬度达到50GPa。如果TiN形成为包埋在无定形BN或六方结晶 BN基体中，复合薄膜则会变软，硬度不大于20GPa。这是因为六方BN质地轻软，导致TiN/ TiB2/BN复合材料的力学性质、热稳定和抗氧化性都要比TiN/TiB2/Si3N4体系明显较低。BN 比Si3N4较软，硼元素氧化形成的B2O3熔点为450°C，并且容易形成挥发性氧化硼，TiN/BN体 系在1350°C会发生化学反应，形成TiB2和N2气，容易形成陶瓷气孔缺陷。所以，用氮化硼 纳米管取代传统BN，借助于纳米管的强化效应，能克服上述弱点，得到超硬陶瓷和高性能复 合材料。另一方面，普通TiN、TiB2晶粒粗大，烧结性能差，限制了这种材料的广泛应用。亚 微米级TiN、TiB2可以降低烧结温度，改进烧结性能，提高烧结体的弯曲强度、断裂韧性等力 学性能。采用氮化硼纳米管代替普通六方氮化硼，不仅可以发挥一维纳米材料对硬质基体 材料的强韧化作用，还可以抑制硬质晶粒生长，大幅度提高材料的硬度和高温力学性能。通过原位复合制备纳米管复合粉体的方法已经有很多专利和研究报道，其特点 是主要研究原位纳米碳管(CNTs)复合粉制备，氮化硼纳米管/TiN复合粉、氮化硼纳米管 /TiNAiB2复合粉均未有见公开专利和研究报道。原位复合法制备纳米管复合粉体的方法， 一般有以下三类方法其一是纳米管前驱物均勻分散在基体材料中，通过适当措施从纳米 管前驱物合成出纳米管，从而获得纳米管与基体材料均勻分散的复合体系。其二是纳米管 均勻分散在基体前驱物中，通过适当措施将基体前驱物转化为出基体材料，从而获得纳米 管与基体材料均勻分散的复合体系。其三是纳米管前驱物均勻分散在基体材料前驱物中， 通过适当措施使纳米管前驱物和基体材料前驱物分别转化为纳米管和基体材料，从而获得 纳米管与基体材料均勻分散的复合体系。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是针对上述现有技术提出一种氮化硼纳米管原位复合陶 瓷粉及其制备方法，其中所述的陶瓷粉为氮化硼纳米管(BNNT)/氮化钛(TiN)纳米复合粉 或氮化硼纳米管(BNNT)/氮化钛(TiN)/二硼化钛(TiB2)纳米复合粉，其制备采用原位复 合技术，实现氮化硼纳米管、TiN和TiB2的原位复合和均勻分散，三者的组成和含量容易调 控，工艺简单，成本低廉，适合工业生产。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案是氮化硼纳米管原位复合陶瓷粉， 其特征在于包括有以下原料组分经反应制备而成B203、Mg、TiB2和TiO2，原料组分按质量 配比计为B2O3 Mg TiB2 TiO2 = I (1.17 1.32) (0.31 2. 16) (0 0.31)。按上述方案，所述的B203、Mg、TiB2和TiO2均为100 300目粉末。氮化硼纳米管原位复合陶瓷粉的制备方法其特征在于将100 300目的B203、 Mg、TiB2和TiO2粉末原料混合，原料组分按质量配比计为=B2O3 Mg TiB2 TiO2 = 1 (1.17 1.32) (0.31 2. 16) (0 0. 31)，在 700 850°C下经加热引发自蔓 延反应即可获得含Ti、B、Mg、0的多孔型固体前驱体，再经过化学反应和退火处理得到粗产 物，其中氮化硼纳米管和Ti N晶粒是在退火处理中生成，所得粗产物经过分离提纯即可得 到氮化硼纳米管原位复合陶瓷粉。按上述方案，所述的化学反应和退火处理步骤是使用氨气作为反应气体，气体流 量为0. 1 5L/min，温度范围是900 1200°C，处理时间为1 12小时。按上述方案，所述的分离提纯步骤是将粗产物分散在蒸馏水中，加入36 38wt. %盐酸，于50 80°C下加热搅拌6 24小时，然后抽滤和水洗，滤饼在50 90°C下 真空干燥12 24小时。按上述方案，所述的氮化硼纳米管直径为10 500nm，长0. 5 50 μ m，TiN晶粒 尺寸为0. 1 2μπι。本专利技术中自蔓延法制备含Ti、B、Mg、0的多孔型固体前驱体的方法如下将Mg、 TiB2、TiO2和B2O3原料置于高速混料机(18000转/分钟)内使其混合均勻，所采用的Mg、 TiB2、Ti02和B2O3原料均为100 300目粉状原料。再将混合料放入反应罐，于700 850°C 下加热引发自蔓延反应，冷却后即可得到含Ti、B、Mg、0的多孔型固体前驱体。制备上述固 体前驱体涉及的化学反应可用方程式(1) (4)表示B203+3Mg = 2B*+3Mg0(1)Ti02+2Mg = Ti*+2Mg0(2)nB*+Mg = MgBn(3)2B*+Ti* = TiB2(4)当Mg、TiB2、TiO2和B2O3混合原料被加热到700 850°C时，B2O3与金属Mg反应生 成活性硼B*和MgO (式⑴)，TiO2与金属Mg反应生成活性钛Ti*和MgO (式(2))，活性硼B* 和金属Mg反应生成MgBn，其中η可能为2、6、12等(式⑶)，活性硼B*和活性钛Ti*结合 生长为TiB2S晶颗粒(式(4))。此外，自蔓延反应制备多孔型固体前驱体过程中，还有可能生成单质金属钛微粒、 单质硼粉颗粒、Mg3B2O6、硼的次氧化物B202、B6O等。混合原料中Ti02、TiB2可以作为自蔓延反应稀释剂，也可能会全部或部分参与化学反应。由于采用混合原料粉末直接自蔓延反应， 未经过压块，在反应过程中B2O3挥发和生成硼气态氧化物，从而制备出多种物相混合和包 裹的含Ti、B、Mg、0的多孔型固体前驱体。本专利技术中前驱体化学组成可表示为TiyBMgmOn，其中χ、m、η为变量，其值可以通过 原料配比加以调控。如前所述，其中Ti主要以多晶Ti02、Ti0、TiB2等物相存在，也可能含少本文档来自技高网...

【技术保护点】
氮化硼纳米管原位复合陶瓷粉，其特征在于：包括有以下原料组分经反应制备而成：Ｂ↓［２］Ｏ↓［３］、Ｍｇ、ＴｉＢ↓［２］和ＴｉＯ↓［２］，原料组分按质量配比计为：Ｂ↓［２］Ｏ↓［３］∶Ｍｇ∶ＴｉＢ↓［２］∶ＴｉＯ↓［２］＝１∶（１．１７～１．３２）∶（０．３１～２．１６）∶（０～０．３１）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谷云乐，王吉林，赵国伟，陈常连，张来平，张占辉，张芳，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]