[发明专利]一种高产率低温合成碳化硼粉体的方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳化硼(B₄C)粉体的制备方法，具体涉及一种溶胶-凝胶法合成B₄C粉体的方法，属无机非金属粉体材料领域。

背景技术

碳化硼(B₄C)具有优异的力学性能，尤其是高硬度、高模量和耐磨性好等特点，使其广泛应用在磨具、切割刀具以及耐磨结构件等领域。

目前，工业上制备B₄C粉体的方法主要是利用硼酸或氧化硼(B₂O₃)粉末与碳黑在2000-3000℃下发生碳热还原反应生成B₄C。这种方法的不足就是能耗大、高温对设备的损坏严重、产率非常低以及B₄C的纯度差。近年来，也相继出现了自蔓延燃烧法和激光诱导化学气相沉积法，但分别存在着产物纯度低和生产成本高的局限。

针对上述问题，国内外的科学工作者提出溶胶-凝胶法合成B₄C粉体，基本工艺过程就是利用溶胶-凝胶反应将硼源分子和碳源分子分散均匀后充分交联得到凝胶，将凝胶进行干燥、裂解处理，最后在较高温度下碳热反应制得B₄C。山东大学的张玉军等[CN 104261408 A]以硼酸和柠檬酸为原料，生成的凝胶经过裂解后在碳热温度1400-1550℃下合成了粒径在70-100纳米左右的纳米B₄C粉体。Masaki Kakiage等[Kakiage M,Tahara N,Watanabe R,et al.Microstructure in precursor formed by controlling composition of condensed boric acid-poly(vinyl alcohol)product for low-temperature synthesis of boron carbide powder[J].Journal of the Ceramic Society of Japan,2013,121(1409):40-44.]以硼酸和丙三醇为原料，在甘露醇的交联作用下制得的凝胶在1250℃碳热温度下合成粒径为1um左右的B₄C粉体。Ikuo Yanase等[Yanase I,Ogawara R,Kobayashi H.Synthesis of boron carbide powder from polyvinyl borate precursor[J].Materials Letters,2009,63(1):91-93.]以硼酸和聚乙烯醇为原料制得的凝胶在1300℃碳热温度下合成了B₄C粉体。

虽然上述采用的溶胶-凝胶方案制备B₄C粉体克服了工业制备方法高温能耗高和产物纯度低的问题，但是由于受限于硼酸和聚乙烯醇等反应物在水中的溶解度太低，依然存在产率低的问题。以硼酸-聚乙烯醇体系为例，硼酸配成饱和溶液(质量浓度1.5％)，理论上，1000克溶胶溶液仅能合成1.6克B₄C。因此，需要改进溶胶-凝胶反应体系，提高硼酸溶液的浓度，实现低温合成的同时提高B₄C的产率。

发明内容

针对现有合成B₄C粉体溶胶-凝胶体系产率低下的不足，本发明的目的在于提供一种高产率低温合成碳化硼粉体的方法。

在此，本发明提供一种高产率低温合成碳化硼粉体的方法，包括以下步骤：

(1)按(4～7)：10的摩尔配比分别称取硼酸和聚乙烯醇，将硼酸与丙三醇混合搅拌至完全溶解，加入碱调节pH至4～6，得到硼酸溶液；将聚乙烯醇与水混合搅拌至完全溶解，得到聚乙烯醇溶液；

(2)将所得硼酸溶液和所得聚乙烯醇溶液混合搅拌并在加热下蒸发溶剂至完全形成凝胶；

(3)将所得凝胶进行干燥，得到干凝胶；

(4)将所得干凝胶在真空或惰性气氛下于500～700℃保温2～4小时进行裂解；

(5)将裂解产物在真空或惰性气氛下于1300～1500℃保温3～5小时进行碳热还原，得到碳化硼粉体。