[发明专利]一种低温合成镁-镍三元金属硼化物的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，具体涉及一种镁-镍三元金属硼化物的合成方法。

背景技术

碱土金属硼化物作为一类重要的金属硼化物，具有高熔点和高化学稳定性等特点，同时还兼具多种功能特性，因而在结构材料和功能材料中具有广泛的应用。例如，二元碱土金属硼化物MgB₂是一种很重要的超导材料和储氢材料(与LiH、LiF或NaH复合后)，CaB₆可用作半导体热电材料、金属熔炼脱氧剂和耐火材料抗氧化添加剂等，SrB₆可用于核反应堆控制棒和高温绝缘材料等。用Ni、Al或其它元素取代二元碱土金属硼化物中的碱土金属可以获得三元(如MgNi_2.5B₂、MgNi₃B₂、MgAlB₄、CaIr₂B₂等)或多元碱土金属硼化物，从而可以借助材料成分和结构的变化来调控硼化物的性能。然而，对于三元碱土金属硼化物，尤其是镁基三元金属硼化物而言，由于金属镁与硼化物中其它组元的熔点相差很大(Mg：650℃，Ni：1453℃，B：2030℃)以及高的镁蒸汽压，以金属和硼单质为原料，采用熔炼法无法获得理想的镁基三元金属硼化物；与熔炼法相比，采用烧结法虽然可以适当降低合成温度，但仍然很难控制镁的烧损和硼化物的成分，同时合成温度的降低会使得工艺变得复杂或合成时间延长。例如，文献[P.Manfrinetti,M.Pani,S.K.Dhar,R.Kulkarni,Journal of Alloys and Compounds,2007,428:94～98]在合成MgNi₃B₂时，先将镁屑、镍屑和硼粉三种原料混合均匀后压入金属钽坩埚中，然后在氩气流中用电弧焊密封坩埚，再将坩埚置于真空石英管中，并用电阻炉加热到900或950℃保温1周，才能获得几乎单相的MgNi₃B₂(含少量MgNi₇B₂)。为此，寻求和开发新型的合成方法对促进镁基三元或多元金属硼化物的应用具有重要的现实意义。

发明内容

本发明针对现有镁基三元金属硼化物合成技术的不足，提供了一种低温、工艺简单、安全可靠的镁-镍三元金属硼化物的合成方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低温合成镁-镍三元金属硼化物的方法，具体包括下述步骤：

(1)在真空或氩气气氛下，对卤化镁、镍及碱金属硼氢化物的混合粉末进行2～10h机械球磨处理；

(2)在0.5～1atm氢背压下，将上述步骤(1)所得的球磨产物加热到650～700℃，并保温1～2h后自然冷却；

(3)将上述步骤(2)所得的加热产物倒入蒸馏水中，过滤出固体悬浮和沉淀物后，再用蒸馏水清洗；

(4)将上述步骤(3)所得的水洗固体产物加热到60～80℃进行烘干，即可获得所述的镁-镍三元金属硼化物粉末。

所述的卤化镁是氯化镁，氟化镁以及溴化镁中的一种。

所述的碱金属硼氢化物是LiBH₄，NaBH₄以及KBH₄中的一种。

所述的镁-镍三元金属硼化物是MgNi_2.5B₂或MgNi₃B₂。

本发明的科学原理如下：

本发明以卤化镁(MgX₂)、镍粉及碱金属硼氢化物(MBH₄)为初始原料，通过机械球磨处理既可对原料进行均匀混合，同时还可促使MgX₂与MBH₄发生机械力化学置换反应形成硼氢化镁(Mg(BH₄)₂)(见反应式1)，在随后的加热过程中，Mg(BH₄)₂自身分解或者剩余MgX₂与MBH₄反应形成硼化镁(MgB₂)并放出氢气(见反应式2和3)，这种原位形成的MgB₂颗粒细小，分布均匀，与Ni具有很高的反应活性，从而可以在更低温度和更短时间内形成镁-镍三元金属硼化物(见反应式4)。