[发明专利]一种原位燃烧合成制备B4C纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷纳米管技术领域，具体涉及一种原位燃烧合成制备B₄C纳米管的方法。

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。

纳米管材料除了作为纳米材料的一种具有特殊的量子效应、表面和界面效应外，还具有纳米粉体不具备的导电性、导热率和超导性等热电性质。

本工艺以机械活化、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纳米管，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纳米管制备工艺之一，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

本发明的目的是提供一种原位燃烧合成制备B₄C纳米管的方法，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纳米管产品。该方法是一种高纯度、高活性、热电性良好的二维陶瓷纳米管材料的制备方法。本发明原料成本低，能耗低，操作简单，对工艺条件和仪器设备要求低，为工业化生产奠定了基础。采用高能球磨活化，提高原料利用率和产物纯度；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纳米管的方法，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纳米管按摩尔比混合均匀，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，得到纳米管状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

将纳米管状B₄C产物弥散分布在MgO基体中的燃烧产物浸入稀盐酸中，置于密闭的反应釜中强化浸出，除杂，过滤，得到浸出液和滤渣，将浸出液采用喷雾热分解技术回收酸液循环利用，将滤渣洗涤，真空干燥，制得B₄C纳米管；

步骤4：喷雾热分解

将浸出液进行雾化，喷吹到高温热解炉中，进行热解，得到纳米级氧化镁和热解尾气；其中，热解尾气中的氯化氢经吸收后形成盐酸，返回密封强化浸出过程循环使用；在高温热解炉中的热解温度为200～700℃，热解时间为0.5～60min。

所述的步骤1中，所述的高能球磨机的工艺参数为：料球质量比为1：(5～30)，球磨转速为150～450rpm，球磨时间为15～150min。

所述的步骤2中，所述的反应物料冷却的方式为水冷或随炉冷却。

所述的步骤2中，所述的自蔓延反应的引发方式为局部点火法或整体加热法；其中，局部点火法是指在自蔓延反应炉中用电热丝加热反应块状坯料局部，引发自蔓延反应；整体加热法是指在自蔓延反应炉中将块状坯料整体升温，直至自蔓延反应发生为止，温度控制在500～800℃。

所述的步骤2中，所述的纳米管状B₄C产物弥散分布在MgO基体中的燃烧产物中，纳米管状为二维纳米管结构。

所述的步骤3中，所述的稀盐酸的摩尔浓度为1～12mol/L。

所述的步骤3中，所述的将纳米管状B₄C产物弥散分布在MgO基体中的燃烧产物浸入稀盐酸中，盐酸与纳米管状B₄C产物弥散分布在MgO基体中的燃烧产物的加入量，根据反应化学方程式的摩尔比，加入盐酸的量比理论量多10～40％，反应所依据的化学方程式为MgO+2HCl＝MgCl₂+H₂O。

所述的步骤3中，所述的强化浸出的工艺参数为：浸出温度为20～80℃，浸出时间为60～360min。