[发明专利]一种高硼含量碳化硼先驱体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高硼含量聚碳化硼先驱体的制备方法。

背景技术

激光驱动惯性约束聚变主要是利用高能激光驱动器在极短时间内将聚变燃料空心微球(靶丸)加热、压缩到高温、高密度，使之在中心“点火”，点燃实现后继核反应实现受控核聚变，从而获得干净聚变能源。作为氘-氚燃料和诊断气体容器，靶丸的设计与制备技术一直是激光惯性约束聚变研究中的核心技术。

按材料分，目前主要的靶丸体系主要包括空心玻璃微球、空心塑料微球、空心Be-Cu微球等。而通过多种计算软件，如ILESTA(日本大阪大学)、LILAC、ORCHID(美国罗切斯特大学)、LASNEX-1D、LASNEX-2D、HYDRA(美国劳伦斯里弗莫尔国家实验室)、FCI1、FASTA-2D、2D-FCI2(法国)等，还模拟计算筛选出碳化硼等极具应用前景的靶丸材料体系。

碳化硼以其卓越的物理性质在机械、电子、核技术等领域有着广泛的应用前景。它是自然界最硬的材料之一，硬度仅次于金刚石和立方BN。随着温度的升高，金刚石和立方BN的硬度会逐渐降低，而碳化硼在高温下却表现出较高的热稳定性，温度≥1100℃时它是最硬的材料。除此之外，碳化硼还具有高熔 点、低密度、高弹性模量、化学性质稳定、优异的热电性能、良好的力学稳定性、很低的热膨胀系数等一系列优异性能，在核领域具有广泛的应用前景。一维和二维的LASNEX模拟计算表明，在一定条件下，以纯碳化硼球壳为燃料容器的低温靶十分有利于内爆点火实验。其主要优势包括：1)由于纯碳化硼微球具有很好的高温性能和耐压强度，按照对微球抗张强度的估算，直径1mm，壁厚0.15mm的碳化硼微球可以负载的气压达到GPa数量级，可实现微球的高温、高压充气。2)碳化硼具备很好的化学稳定性、热稳定性和传热性能(25℃下理论导热系数达到35W/m·K，远高于玻璃和塑料)，使其可以实现热扩散充气和存放，并有利于冷冻层的红外均化。3)与玻璃相比，其组分更为单一，不含碱金属成分，可消除因化学不稳定性造成的表面光洁度下降、潮解等问题。4)碳化硼不仅能屏蔽超热电子对燃料的预热，而且可以在不掺杂的情况下获得有利于内爆稳定的烧蚀前沿密度面。

从以上分析可知，碳化硼作为靶丸材料有利于内爆点火实验，应用前景广阔。目前碳化硼作为靶丸材料使用还停留在理论模拟阶段，主要问题在于缺乏合适的碳化硼空心微球的制备工艺，其中一个最基本的问题是缺乏合适的碳化硼先驱体。

碳化硼先驱体中的硼含量与无机化产物的陶瓷收率及碳化硼含量密切相关。硼含量越低，先驱体陶瓷产率降低，无机化产物中碳化硼含量也较低。提高硼含量，有利于提高陶瓷收率， 抑制气体的生成，同时可以提高先驱体无机化后碳化硼空心微球的硼碳比。因此，制备高硼含量的碳化硼陶瓷先驱体显得尤为重要。

为此，本发明以硼含量非常高的十硼烷(分子式为B₁₀H₁₄，硼重量分数达到88％)为硼源，以二烯类有机化合物为碳源，合成出一种高硼含量、高陶瓷产率的碳化硼先驱体。该先驱体适合用于制备核聚变用碳化硼靶丸，也适合用于制备高性能碳化硼基复合材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种高硼含量碳化硼先驱体的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)在带搅拌、加热装置的反应器中，加入溶剂，溶剂可选用甲苯、二甲苯、四氢呋喃、乙醇、丙酮等其中一种，再加入十硼烷，十硼烷与溶剂重量比为1：2～30；然后加入二烯类有机化合物，十硼烷和二烯类有机化合物摩尔比为1:1～10，将反应器反复抽真空、充干燥氮气至少三次，以排除其中的空气和水分；

(2)往反应器中再加入催化剂，催化剂选用(Cp)₂Ti(CO)₂，催化剂与十硼烷的摩尔比为1：2.5～20；

(3)以1～4℃/min的升温速率升温至80～130℃，持续搅拌 反应，搅拌速率为60～240r/min，反应12～120h；将反应完成的产物倒入圆底烧瓶中，通过旋转蒸发去除溶剂，得到粘稠液体；

(4)以正己烷或石油醚为淋洗剂，将步骤(3)得到的粘稠液体通过硅胶柱层析去除残余的催化剂；将层析得到的溶液倒入圆底烧瓶中，通过旋转蒸发去除溶剂，得到单体；

(5)将单体置于干净的带搅拌、加热装置的反应器中，加入溶剂，溶剂选用二氯甲烷、二氯乙烷、二氯丙烷或二氯丁烷，单体与溶剂重量比为1：5～20；然后加入催化剂，催化剂选用市售或自行合成的Grubbs-I催化剂，催化剂用量为单体的重量的1～10％；