[发明专利]一种制备碳包裹的碳化硼纳米粉体的方法

说明书

一种制备碳包裹的碳化硼纳米粉体的方法，其主要是将硼酸和蔗糖按摩尔比B:C＝1:1混合，并加入到去离子水中搅拌至完全溶解，得到无色透明的硼酸和蔗糖混合溶液；将得到的无色透明混合溶液在80‑200℃加热烘干并搅拌，得到红褐色固体，将固体用玛瑙研钵研磨，制得红褐色粉末；将得到的红褐色粉末在真空条件下加热至1550‑1600℃，保温5‑10分钟后缓慢降温，得到碳包裹的B₄C碳化硼纳米粉体。本发明所用原料廉价易得，制备工艺简单，可用于大规模生产；将过量的碳控制在纳米级别，B₄C粉体的粒径小而均匀，一般在100nm以下，B₄C纳米颗粒的碳包裹层均匀，且厚度小于5nm。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种碳化硼纳米粉体的制备方法。

背景技术

碳化硼(B₄C)具有密度低、强度和硬度高、优异的高温稳定性以及化学稳定性等特点，在国防、核能、航空航天、机械、耐磨技术等领域，正日益显示出其广阔的发展应用前景。特别是在陶瓷装甲中，B₄C陶瓷的硬度最高、密度最低，尽管其价格较高，但在保证性能的条件下，以减轻重量为首要前提的装甲系统中，B₄C仍被优先选用。B₄C防弹陶瓷已广泛用于防弹衣、步兵战车和轻型装甲车的装甲防护以及武装直升机腹板。

通常B₄C陶瓷的烧结是采用在非常高的温度下用B₄C粉体经无压烧结或热压烧结而成的，根据Hall–Petch定律，晶粒越细烧结体的硬度会越高。因此，前驱物的晶粒细化成为一个提高B₄C陶瓷性能的有效途径。于是，人们设法将B₄C制备成纳米粉体，然后通过采用适当的烧结方法(如SPS烧结)尽量抑制烧结过程中的晶粒长大，取得了较好的效果。例如：B.M.Moshtaghioun等人采用高能球磨方法将B₄C粉末细化到亚微米级，经退火后用放电等离子烧结，制备出硬度达到～38GPa的B₄C陶瓷。而为提高块体的致密度，烧结B₄C时通常需要在粉体中添加各种烧结助剂以促进烧结。最近，通过添加石墨烯，碳纳米管等纳米尺度碳材料的方法，采用高压或放电等离子烧结的方法合成出B₄C块材的断裂韧性得到了明显提高。碳热还原法作为工业制备B₄C粉体的主要方法，制备时为了避免有氧化硼剩余，碳一般是过量的。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉、没有有氧化硼剩余、能够控制碳用量的制备碳包裹的碳化硼纳米粉体的方法。本发明主要是通过真空高温反应方法，以廉价易得的硼酸(H₃BO₃)和蔗糖(C₁₂H₂₂O₁₁)为原料，通过不同加热温度，在高真空条件下反应得到碳包裹的B₄C纳米粉体。

本发明的技术方案如下：

(1)将硼酸(H₃BO₃)和蔗糖(C₁₂H₂₂O₁₁)按摩尔比B:C＝1:1混合，得到混合粉体，之后加入到去离子水中搅拌至完全溶解，得到无色透明的硼酸和蔗糖混合溶液。为保证硼酸与蔗糖充分溶解，每100ml去离子水中加入5g硼酸与蔗糖的混合粉体；

(2)将步骤(1)得到的无色透明混合溶液在80-200℃加热烘干并搅拌，得到红褐色固体，将固体用玛瑙研钵研磨，制得红褐色粉末；

(3)将步骤(2)得到的红褐色粉末装到石墨坩埚中，将坩埚放入管式炉内，在管式炉内部真空小于10^-3Pa后开始加热，升温至1550-1600℃，保温5-10分钟后缓慢降温，得到碳包裹的B₄C碳化硼纳米粉体。

本发明与现有技术相比具有以下优点：