[发明专利]一种采用木糖醇作为碳源通过溶胶-凝胶法制备单相ZrB2粉末的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用溶胶－凝胶法制备ZrB₂粉，更特别地说，是指一种采用木糖醇作为碳源，硼酸作为硼源，有机醇盐作为锆源，通过水解缩聚反应获得ZrO₂前躯体的溶胶－凝胶法制备ZrB₂粉末的方法。

背景技术

ZrB₂陶瓷因为具有高熔点、高强度、高硬度、导电导热性好、良好的阻燃性、耐热性、耐腐蚀性、捕集中子等特点，而在高温结构陶瓷材料、复合材料、耐火材料以及核控制材料等领域中得到广泛开发和利用，是最有前途的超高温陶瓷材料之一。

溶胶－凝胶法的基本原理是：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。它包括溶胶的制备、溶胶－凝胶转化和凝胶干燥3个过程。

使用金属醇盐通过溶胶－凝胶法经碳热还原反应制得ZrB₂粉末时，碳源多使用单糖类(Yang B,Li J,Zhao B,et al.Synthesis of hexagonal-prism-like ZrB2by a sol–gel route[J].Powder Technology,2014,256:522-528.)或多糖(Zhang Y,Li R,Jiang Y,et al.Morphology evolution of ZrB 2nanoparticles synthesized by sol–gel method[J].Journal of Solid State Chemistry,2011,184(8):2047-2052.)等。糖类虽然无污染且分解率较高，但是与金属醇盐相互作用形成胶体时，需要经过一系列复杂、多步的水解缩聚反应。

因此，亟需一种优化的溶胶－凝胶路径，使用能够更加直接地形成溶胶-凝胶网络结构的碳源。通过工艺可控、且简单步骤得到单相、且纯度高的ZrB₂粉末。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用木糖醇作为碳源通过溶胶－凝胶法制备ZrB₂粉末的方法，该方法采用木糖醇、硼酸和正丙醇锆为原料，正丙醇锆为醇盐、木糖醇为碳源、硼酸为硼源、乙酸为络合剂、甲醇为溶剂，通过调节C/Zr的摩尔比；先制备出ZrB₂的前驱体凝胶粉末，然后在较低温度下反应生成单相、且纯度高的ZrB₂粉末。本发明中使用带有羟基基团的多元醇为碳源，不仅能够增加硼酸的溶解度，还会更利于胶体的形成。

本发明的一种采用木糖醇作为碳源通过溶胶－凝胶法制备单相ZrB₂粉末的方法，其特征在于包括有下列步骤：

步骤一：将木糖醇、硼酸溶于甲醇中，在60℃±5℃水浴条件下磁力搅拌至形成第一溶液；

所述搅拌速度为200r/min～400r/min；

步骤二：将乙酸与正丙醇锆进行混合形成第二溶液；

所述混合条件为：混合温度20℃±5℃，搅拌速度60r/min～150r/min；

步骤三：在搅拌速度为200r/min～400r/min下，将第二溶液加入至第一溶液中形成均相溶液；

用量：2g的木糖醇中加入1.5～2.7g的硼酸、3.5～6.5g的正丙醇锆、10～20ml的甲醇、10～20ml的乙酸；

步骤四：将均相溶液在60℃±5℃水浴中放置10～15min形成湿凝胶；

步骤五：将湿凝胶置于温度为80℃±5℃的干燥环境下，处理4～6h得到干凝胶；

步骤六：将干凝胶进行研磨1h～2h后，得到粒径为1～30微米的前驱体粉末；

步骤七：设置梯度升温速率和降温速率，使前驱体粉末在温度为1550～1600℃下煅烧1～3h，随炉冷却，取出，得到单相ZrB₂粉末。

本发明提出的优化溶胶－凝胶法制备单相ZrB₂粉末的优点在于：

①溶胶－凝胶过程中的化学均匀性可达分子、原子水平，反应过程可精确控制。反应条件温和，原料价格成本低，所需设备简单。

②使用木糖醇作为碳源降低了生产周期，凝胶无需陈化。

③采用较低温度下成功合成高纯度的单相ZrB₂粉末，制作成本低廉。

④采用梯度升温、降温速率，对前驱体粉末进行不同温度下的预热处理及煅烧，有利于碳热还原反应的充分进行。

附图说明

图1是实施例1中前驱体粉末的SEM照片。