[发明专利]一种硼化锆-碳化硅超细复合粉体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料超细复合粉体技术领域。具体涉及一种硼化锆-碳化硅超细复合粉体及其制备方法。

背景技术

ZrB₂-SiC陶瓷材料具有耐高温、抗氧化烧蚀、抗冲刷、室温及高温力学性能良好等优异性能，是超高温应用领域最具潜力的候选材料，有望用于高超声速长时飞行、大气层再入、跨大气层飞行、火箭推进系统及熔炼电极、熔炼坩埚等极端热化学环境中。当前，ZrB₂-SiC陶瓷的制备主要是以ZrB₂粉和SiC粉为原料，经机械混合、高温烧结而成。该种方法容易在混料过程中引入杂质，同时，由于ZrB₂粉和SiC粉的活性较低，需要较高的烧成温度。采用ZrB₂-SiC复合粉体为原料制备ZrB₂-SiC陶瓷可以很好地解决上述问题。研究表明，原料粉体晶粒越细小，所制备陶瓷材料的硬度、抗弯强度、断裂韧性等常温和高温力学性能越优良。纳米陶瓷甚至被认为是解决结构陶瓷材料脆性差、韧性和强度低等缺陷的战略途径。因而，具有良好性能的高纯、超细ZrB₂-SiC复合粉体是制备高性能ZrB₂/SiC超高温陶瓷的基础。

ZrB₂-SiC超细复合粉体的制备方法主要有碳热还原法、自蔓延高温合成法和放电等离子反应法等。这些方法虽有其明显的优点，但也都存在一定的不足。

碳热还原法是以氧化锆、硼酸、硅溶胶为原料、以炭黑为还原剂、在电炉中加热至1300℃以上合成ZrB₂-SiC超细复合粉体的方法。该法操作简单、原料取材广泛。但是，往往需要高的热处理温度、反应时间长，生成的ZrB₂-SiC超细复合粉体径分布不均匀、团聚严重。自蔓延高温合成法(SHS)是一种依赖物质反应自身放热，在极短的时间合成目标产物的工艺。自蔓延高温合成法具有设备简单、能耗低、高效、反应时间短的优点，但是该方法所得粉体颗粒粗大、团聚严重且反应过程难以控制。放电等离子烧结法(SPS)是近些年来倍受重视的一种材料制备新技术。放电等离子反应法具有升温速度快、反应时间短、冷却迅速以及节能环保等优点。但是，反应过程、产物结构及性能不易控制，且产物纯度不高、团聚严重，同时设备投入大，难以形成规模化生产。

综上所述，现有的硼化锆-碳化锆超细复合粉体的制备技术存在的不足是：成本高、反应温度高、过程不易控制、工艺过程复杂、产率低、合成粉体的纯度较低、粉体颗粒粒径分布不均匀和粉体颗粒容易团聚等，极大地限制了硼化锆-碳化锆超细复合粉体的产业化生产。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，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-碳化硅超细复合粉体的制备方法。用该方法制备的硼化锆-碳化硅超细复合粉体活性高、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，本发明采用的技术方案是：先将64～85wt％的卤化物粉、4～15wt％的氧化锆粉、2～5wt％的氧化硅粉、2～6wt％的氧化硼粉、0.3～1.1wt％的炭粉和6～10wt％的镁粉混合均匀，机压成型；再将成型后的坯体置于电炉中，在氩气气氛和升温速率为2～8℃/min的条件下升温至1000～1250℃，保温2～6小时，得到烧成后的坯体；然后将烧成后的坯体用蒸馏水洗涤，洗涤后放入浓度为1.0～4.0mol/L的盐酸中浸泡3～8小时，过滤，用去离子水清洗，在80℃条件下干燥11～24小时，粉碎，即得硼化锆-碳化硅超细复合粉体。

所述卤化物粉为氯化钾粉和氯化钠粉的混合物；氯化钾和氯化钠均为工业纯或均为分析纯，氯化钾和氯化钠的粒径均≤200μm。

所述氧化锆粉中的ZrO₂含量≥99wt％，粒径≤100μm。

所述氧化硅粉中的SiO₂含量≥95wt％，粒径≤100μm。

所述氧化硼粉中的B₂O₃含量≥99wt％，粒径≤100μm。

所述碳粉中的C含量≥98wt％，粒径≤200μm。

所述金属镁粉中的Mg含量≥99wt％，粒径≤150μm。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：

1、本发明在熔融盐中实现反应物原子尺度的混合，使反应成分在液相中的流动性增强，扩散速率显著提高，能有效控制反应进程、降低反应温度和缩短反应时间；