[发明专利]高温自蔓延合成高密度六方氮化硼的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温自蔓延合成高密度六方氮化硼的方法。

背景技术

六方氮化硼粉体（h-BN）是一种新兴的高温陶瓷材料，呈六方片状结构，具有良好的高温导热性、耐热性、耐腐蚀性、化学稳定性和润滑性等、特别是具有优异的电绝缘性，广泛应用于冶金、化工、机械、电子能源、航空航天等领域。随着技术发展，对该材料产生各种特殊要求，如高纯度、高密度、超细粒度等。

传统的六方氮化硼粉体的制备方法主要有：硼酐或硼酸与氯化铵法；硼砂-尿素法；焦硼酸-尿素法；卤化硼-气相合成法；硼酸或硼酐或硼砂与氰化钠或氰化钾法；硼酸-磷酸三钙法等。这些传统的高温烧结合成工艺设备复杂、能耗大、周期长，导致成本太高，由于加入助剂，所得到的氮化硼纯度低，影响了其高温使用性能。

在该领域，人们进行了诸多研究，查阅相关文献，辽东学院学报(自然科学版2008年02期)郑盛智“Synthesis and High-temperature Refining of Hexagonal Boron Nitride(h-BN)”；中国专利公开（公告）号：CN1613751，名称为“一种球磨水热合成氮化硼的方法”，采用水合肼为溶剂，以氯化铵、硼砂以及尿素球磨产物为原料合成氮化硼，解决了合成氮化硼原料毒性大、价格较昂贵的问题，应用于立方氮化硼的生产。中国专利公开（公告）号：CN1229767，名称为“一种用三氟化硼乙醚和氮化锂合成氮化硼的方法”；中国专利公开（公告）号：CN1931719，名称为“一种六方氮化硼纳米微球及合成方法和应用”；中国专利公开（公告）号：CN1868864，名称为“再生六方氮化硼的生产方法”等公开技术可以解决纯度问题，但工艺设备复杂、能耗大、周期长，导致成本过高，也无法生产出高密度材料，这类粉体产品密度不超过0.8g/cm³。

中国专利公开（公告）号：CN1746134，名称为“一种低温快速制备高纯六方氮化硼陶瓷材料的方法”；中国专利公开（公告）号：CN97197074，“一种由纳米尺寸的微晶组成的六方氮化硼多晶体”；中国专利公开（公告）号：200810119692.6，“镁热还原制备氮化硼纳米管的方法”等属于采用自蔓延高温合成生产超细粉体的研究，无法生产出高密度粉体。

发明内容

本发明提供了一种高温自蔓延合成高密度六方氮化硼的方法。通过材料设计和自蔓延高温合成技术，获得了高纯度、高密度六方氮化硼粉末材料。

本发明提供的高温自蔓延合成高密度六方氮化硼的方法包括以下步骤：

a.配料与混料：按质量百分比取粉体材料Mg：40-50％、B：0.5-3％、B₂O₃32-37％、BN：2-4.5％、加入混料机，混合6-8小时，加入质量百分比15-22％的N元素，再混合2-4小时，卸料。

b．压制成型：将卸下的料在粉末冶金液压机中压制成型，压制压力300-450MPa，保压时间20-30秒。

c．干燥：将压制成型的压坯在电烘箱中100-120℃干燥10-24小时，保护气氛为高纯氮气，保持正压。

d．自蔓延合成：将压坯从电烘箱中取出，放入反应器中，在反应器中通入0.2Mpa氮气排除反应器中空气，然后通入高压氮气，保持容器内压力20-30MPa，通过点火器点燃进行自蔓延反应。反应后卸除高压力，继续通氮气保持正压，冷却至室温。

e．洗涤烘干：从反应器中取出反应物，对反应产物进行酸洗，再用去离子水洗涤，反复4次，最后120℃烘干得到产物。

f.检测：采用中国国家标准方法检测，检测结果为材料密度ρ:0.93-1.03g/cm³，氮化硼（h-BN）≥99.5％，游离硼（B₂O₃）≤0.3％。

所述配料中使用的B₂O₃粉末在350-450℃下干燥12-24小时。

所述的配料中使用的N元素由过量的氮气与尿素或碳酸氢氨或尿素提供，碳酸氢氨或尿素的加入量为所需要氮元素质量的3-7倍。氮气在反应之前为过量通入反应釜，压力达到20-30MPa时停止通入。

所述的混料机为双锥式混料机。

所述自蔓延合成中的点火器为调压式变压器，加热材料为钼丝，点火剂为Ti粉，用量为30-50g/次。

本发明与现有制备方法相比，其显著的有益效果体现在：