[发明专利]一种硼化锆超细粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料粉体技术领域。具体涉及一种硼化锆超细粉体及其制备方法。

背景技术

ZrB₂的熔点高(3040℃)、热膨胀系数低、导热及导电性能优异，同时ZrB₂与金属熔体不润湿，与Fe液、Cu液、Al液的润湿角分别为105o、132o、103o，具有优良的抗熔融金属及渣液侵蚀的性能，是一种非常有发展前途的高温结构材料。由于其具有优良的耐腐蚀性、良好的导电性和高硬度，可用作高温热电偶保护套管、电极材料以及切削材料等。也可作为抗氧化剂加入到含碳耐火材料中，能够提高材料的抗氧化性和抗渣性能。同时ZrB₂还可用做各种高温耐火材料和功能材料，如钢水连续测温套管、航天航空工业中涡轮叶片、磁流体发电电极、特种电炉中高温发热元件和切割加工工具等。ZrB₂应用于复合材料中，能改善材料的机械性能以及抗热震性能。目前，作为一种超高温的精细陶瓷材料，ZrB₂的用途越来越多，应用面越来越广，受到了人们极大的关注。因此，具有纯度高、粒径分布均匀、表面活性高、松装密度低等优良特性的硼化锆粉体，成为上述领域开展优质陶瓷制备的首选材料。

硼化锆是强共价键化合物，不易烧结。目前硼化锆超细粉体的制备方法有很多种，大致可分为两类：一类是把由固相反应得到的硼化锆晶体进行粉碎的分解方法；另一类是用微粉原料气相法或液相法等直接合成硼化锆细粉的聚集方法。如碳热(硅热、铝热、镁热)还原法、直接反应法、溶胶~凝胶法以及自蔓延高温合成法等。但这些方法都存在一定的不足。

碳热(硅热、铝热、镁热)还原法是以氧化锆为原料，以焦炭或沥青为还原剂，在电炉中加热至1900℃以上，生成块状硼化锆，再经破碎、磨细、酸浸、水洗、分级等多道工序，最终得到硼化锆粉末。该法生成成本低、产量大、原料价廉易得；但是，工艺过程复杂、产品粒度较粗（微米以上），产物纯度通常较低（一般低于98%）。直接反应法是由金属锆和硼在惰性气体或真空中直接反应生成ZrB₂，但是，由于该法为固相反应，反应热和熔化热很高，难以进行反应体系控制，而且反应中部分锆熔化，很难控制其粒径的大小，所制得的粉体的烧结活性低。溶胶~凝胶法是制备粉体采用较多的方法，用该法可以在较低温度下开展硼化锆粉体的制备工作，有利于高纯材料的制备，所得粉体粒径粒度也较小。但是该法所需原材料价格高，而且粉体在后期处理过程中容易快速团聚。以ZrO₂、B₂O₃以及Al(Mg)为原料，自蔓延高温合成ZrB₂的工艺虽然过程简单，反应速度快，能耗低。但是由于其反应速度太快，通常反应无法完全进行，导致杂质相较多，而且其反应过程、产物结构以及性能都不容易控制。同时该法得到的反应产物一般为ZrB₂与Al₂O₃（或者MgO）的复合粉体，无法得到高纯度的ZrB₂粉末。

因此，目前针对硼化锆超细粉体开展的制备技术，都存在一定的不足。如原料价格较高，纯度较低工艺过程复杂、不易控制，粉体颗粒粒径分布不均匀，粉体颗粒容易团聚等，极大地限制了硼化锆超细粉体的产业化生产。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的不足，目的是提供一种反应温度低、成本低、合成工艺简单、过程易于控制、产率高的硼化锆超细粉体的制备方法。用该方法制备的硼化锆超细粉体活性高、颗粒团聚小、粉体粒径分布均匀、纯度高和产业化生产的前景大。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：将5~15wt%的氧化锆粉、0.5~4.0wt%的金属镁粉、5~20wt%的四硼酸钠粉和70~88wt%的卤化物粉混合均匀，制得混合物，再将混合物置入管式电炉内，在氩气气氛下以2~8℃/min的升温速率升至1000~1200℃，保温2~6小时，然后将所得产物放入浓度为2.0~4.0mol/L的盐酸中浸泡3~8小时，过滤，用去离子水清洗至清洗液为中性，在110℃条件下干燥10~24小时，即得硼化锆超细粉体。

所述氧化锆粉中的ZrO₂含量≥99wt%，粒径≤10mm。

所述四硼酸钠微粉中的Na₂B₄O₇含量≥99wt%，粒径≤200mm。

所述金属镁粉中的Mg含量≥98wt%，粒径≤1000mm。