[发明专利]一种纳米碳化锆陶瓷粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳化锆陶瓷粉体技术领域，具体涉及一种纳米碳化锆陶瓷粉体及其制备方法。

背景技术

碳化锆（ZrC）陶瓷是一种典型的过渡金属碳化物，具有高强度、高硬度、耐腐蚀和高温化学稳定性好的特性，在薄膜材料、高温结构材料、超硬工具材料、微电子材料、核能储备材料等诸多领域具有广阔的应用前景。同时，ZrC还是一种理想的超高温抗氧化保护材料，Zr元素的碳化物和氧化物都具有极高的熔点，且在超高温下具有抗氧化效果，降低氧在基体中的扩散速度，从而对基体进行有效地保护。

目前碳化锆粉末的制备方法主要有： 

1）直接合成法。直接合成法是利用Zr和C在惰性环境或真空条件下高温反应直接合成：Zr+C?ZrC。该方法合成条件较为简单，合成的ZrC粉末纯度较高，但原料锆粉比较昂贵，反应需要高温下进行，能耗高；同时，合成的ZrC粉末粒度大、活性低；

2）碳热还原法。碳热还原法是以二氧化锆（ZrO₂）和炭黑为原料高温反应合成：ZrO₂+3C?ZrC+2CO (张月霞，刘志勇，刘新涛，等．纳米ZrC粉末的制备研究[J]．材料导报，2009，23(专辑XIV)：139．)，该方法所用原料较为便宜，但原料难以混合均匀，合成的产品纯度低；

3）自蔓延高温合成法。自蔓延高温合成法（SHS）是在空气中用经过机械活化的锆、碳混合粉末制备ZrC粉，碳的原子分数最佳范围为50~60%（宋谋胜，冉茂武．自蔓延反应制备ZrC粉末的形成机制研究[J]．粉末冶金技术，2011，29（3）：177~182．）。此方法工艺简单、能耗低、生产效率高和产品纯度很高，但其反应过程难以控制，产品性能不稳定；

4）化学气相沉积法。化学气相沉积法是利用Zr和C的有机前驱体在高温下分解产生的Zr和C反应形成ZrC (朱钧国，杜春飙，张秉忠．碳化锆镀层的化学气相沉积[J]．清华大学学报，2000，40（12）：59~62．)。该方法主要用于制备ZrC薄膜和涂层，合成产物纯度高和粒径小，但合成周期长、原材料昂贵和成本高。

上述制备ZrC粉体的几种主要方法均存在一定缺陷：有的方法反应周期长、能耗大，成本高，有的方法合成的ZrC粉末颗粒大、活性低。

发明内容

本发明的目的是提供一种周期短、能耗低和成本低的纳米碳化锆陶瓷粉体的制备方法，用该方法制备的碳化锆粉体粒度小和活性高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 

步骤一、将反应器抽真空至0.06~0.08MPa，通入氩气至常压，再依次向反应器中加入甲苯、锆盐和无水乙醇，搅拌均匀，其中：锆盐∶甲苯∶无水乙醇的摩尔比为1∶(3~5)∶(4~10)；然后在?10~10°C条件下通入氨气，通入氨气的流量为40~60ml/min，反应2~6h，过滤，得到醇锆的甲苯溶液。

步骤二、将反应器抽真空至0.06~0.08MPa，通入氩气至常压，再依次向反应器加入醇锆的甲苯溶液、β-二酮和酚，搅拌均匀，其中：β-二酮∶酚∶锆盐的摩尔比为(1~4)∶(2~4)∶1；然后按2~4°C/min的升温速率将反应体系加热至120~300°C，保温1~10h，减压蒸馏，冷却至室温，得到液相ZrC前驱体。

步骤三、将液相ZrC前驱体置于炭化炉中，在氩气气氛下加热至1300~2000°C，保温0.5~2 h，制得碳化锆陶瓷粉体。

所述的锆盐为硝酸锆、氯氧化锆和氯化锆中的一种。

所述的酚为苯酚、甲酚、氨基酚、硝基酚和萘酚中的一种。

所述的β-二酮为乙酰乙酸乙酯、乙酰乙酸甲酯和乙酰丙酮中的一种。

由于采用上述技术方案，本发明将可溶性醇锆和碳源在分子水平上进行结合，降低了ZrC的形成温度，缩短了反应所需的时间，且合成的液相ZrC前驱体可溶于苯、甲苯等非极性有机溶剂，能作为炭/炭复合材料的浸渍剂使用，复合材料中的液相ZrC前驱体经高温裂解后转变成ZrC陶瓷，大大提高了其高温抗氧化性能。

液相ZrC前驱体在氩气气氛和1300~2000°C条件下热处理保温0.5~2h，所得到的ZrC陶瓷粒度为50~100nm，周期短。本发明采用廉价的锆源和碳源为原料，在低温条件下（相对传统温度）得到了ZrC陶瓷粉末，能耗低和成本低。

因此，本发明具有周期短、能耗低和成本低的特点，所制备的碳化锆粉体粒度小和活性高。合成的ZrC前驱体易溶于苯和甲苯等非极性有机溶剂，能广泛用作复合材料浸渍剂。

附图说明