[发明专利]一种原位燃烧合成制备B4

说明书

一种原位燃烧合成制备B₄C纤维的方法，属于陶瓷纤维技术领域。该方法通过将氧化硼和镁粉按摩尔比混合，放入高能球磨机中进行机械活化处理；再与碳纤维按摩尔比混合均匀，放入模具中，在10～60MPa压制成块状坯料，进行自蔓延反应；将产物浸入稀盐酸中，置于密闭的反应釜中强化浸出，最后喷雾热分解获得高纯碳化硼纤维产品。该方法制备出高纯度、高活性、烧结性能良好的二维陶瓷纤维材料。原料成本低，能耗低，操作简单，对工艺条件和仪器设备要求低，改变现有二维纤维结构的B₄C生产高能耗、低产率的现状。采用高能球磨活化，改善传统镁热还原法的缺点；采用自蔓延制粉技术，所得的产品具有纯度高，粒度分布可控，粉末活性高的优点。

技术领域

本发明属于陶瓷纤维技术领域，具体涉及一种原位燃烧合成制备B₄C纤维的方法。

背景技术

碳化硼主要用于制作碳化硼陶瓷，碳化硼陶瓷具有密度小、硬度高、高模量、强耐磨性、高抗氧化性、较强耐酸腐蚀性以及优良的中子吸收性能等特点，具有广阔的应用前景，广泛应用于防弹材料、耐磨和自润滑材料、切割研磨工具、防辐射材料和原子反应堆控制和屏蔽材料等。

碳化硼是用于冲击用途(如防弹衣、坦克前防护板以及军事战斗车辆面板)最重要的材料。在军事战斗，可以极大提高车辆和飞行器提高生存性和活动性以及军事人员的存活率。但碳化硼脆性大，常常以脆性断裂为主，这大大限制了碳化硼陶瓷的应用。目前提高陶瓷韧性的办法有多种，可以采用颗粒增强、或具有特定晶粒取向结构的排布、或采用晶须、纳米管以及纤维增韧的方式。B₄C纤维是其中最重要的一种二维陶瓷材料。现有的商业化生产工艺主要为超细粉体特种烧结法，此方法需要高温，并且具有成品率低、能耗大、产品形貌不易控制的缺点。现有的实验室路线有气相沉积法、定向拉丝法等，这些路线典型地成本高、产量低且能耗大。

基于现有制备碳化硼纤维的缺点，提出以机械活化、自蔓延合成、密闭强化浸出和酸液热解循环的新工艺路线制取碳化硼纤维，具有工艺流程短、无中间工序、成本低、产品性能好的优点，因此更易实现连续化，是最具发展潜力的碳化硼纤维制备工艺之一，符合降低原材料成本、节约能源的国民经济发展战略，这一技术的工业化经济效益和社会效益都十分可观。

发明内容

针对现有技术制备碳化硼的缺点，本发明提供一种原位燃烧合成制备B₄C纤维的方法，通过机械活化、自蔓延合成、密闭强化浸出和喷雾热分解获得高纯碳化硼纤维产品。本方法是一种高纯度、高活性、烧结性能良好的二维陶瓷纤维材料制备方法。本方法原料成本低，能耗低，操作简单，对工艺条件和仪器设备要求低，改变现有二维纤维结构的B₄C生产高能耗、低产率的现状，为工业化生产奠定了基础。采用高能球磨活化，改善传统镁热还原法原料利用率低，产物纯度低、反应进程和产品形貌难以控制的情况；采用自蔓延制粉技术，所得的产品具有纯度高，粒度分布可控，粉末活性高等优点。

本发明的一种原位燃烧合成制备B₄C纤维的方法，按以下步骤进行：

步骤1：机械活化

将氧化硼和镁粉按摩尔比混合，放入高能球磨机中进行机械活化处理，得到含硼的前驱体混合物；其中，按摩尔比，B₂O₃：Mg＝1：(2～4)；

步骤2：自蔓延合成

将含硼的前驱体混合物与碳纤维按摩尔比混合均匀，放入模具中，在10～60MPa压制成块状坯料，置于自蔓延反应炉中引发进行自蔓延反应，得到反应物料，反应物料冷却后，得到B₄C产物弥散分布在MgO基体中的燃烧产物；

其中，按摩尔比，B₂O₃：Mg：C＝1：(2～4)：(0.5～0.6)；

步骤3：密闭强化浸出