[发明专利]一种二硼化锆粉体的低温制备方法

说明书

本发明公开了一种二硼化锆粉体的低温制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将含锆化合物和含硼化合物按1:1‑1:10摩尔比分别称量，混合得到Zr‑B混合物；(2)按照1:1‑1:8的重量比分别称量Zr‑B混合物与氯化物熔盐，混合，获得二硼化锆前驱体；(3)将二硼化锆前驱体加热、保温，冷却，所得产物在水中浸泡；(4)将所得产物洗涤、抽滤、酸浸、水洗、烘干，获得黑色二硼化锆粉体。本发明方法可大幅降低合成二硼化锆的温度；可在空气中合成，原材料成本低，熔盐可以循环使用，生产效率高，产物纯度高且具有良好的颗粒形貌，合成工艺流程简单，产品重复性好，易于工业化生产。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种二硼化锆粉体的低温制备方法。

背景技术

目前，能够胜任极端高温环境要求的材料主要集中在高熔点硼化物，碳化物等超高温陶瓷材料中，其中二硼化锆是一种具有六方结构的金属硼化物,在其晶体中，Zr原子面和B原子面交替出现构成二维网状结构,这种类似于石墨的结构决定了二硼化锆具有良好的导电性、导热性；而Zr-B键以及B-B键具有很强的共价键性,键能大,使二硼化锆具有超高的熔点(3245℃),其烧结陶瓷制品具有优异的机械性能、良好的化学稳定性以及耐高温抗烧蚀性能。正是这些独特的性能使二硼化锆成为高(超音)速飞行、火箭推进系统、切割工具、耐火衬里、金属处理坩埚、高温电极、喷头和微电子器件等产品的良好防护材料。然而，这种高度共价键结合也使得二硼化锆的合成和烧结过程非常困难。降低合成温度、简化工艺过程(如除去保护气氛)等已成为新合成方法所面临的重大技术问题。

目前，已经有多种方法/技术可以制备不同颗粒尺寸和纯度的ZrB₂粉体，主要方法包括：

直接合成法：金属锆和非金属硼在保护气氛或真空中高温反应直接合成二硼化锆Zr+2B＝ZrB₂。该方法所合成粉末纯度高，但原料昂贵，合成温度高，反应时间长。

碳热/硼热还原法:该方法采用二氧化锆、硼酐/硼、炭黑等为原料，在高温炉中长时间反应，目前是工业生产中最常用的合成方法。该方法原材料易得,生产成本低，但反应效率低,需要很高的温度(1500-1750℃)及较长的反应周期,常导致产物颗粒粗化,难以获得细小粒径的颗粒，整体工艺成本较高。

电解盐浴法：电解含锆化合物和氧化硼的熔融盐合成二硼化锆。该方法制得的产物纯度不高，且高温下硼酐极易气化。此外，由于熔融时需要较高的温度，过程消耗大量的能量。该方法易使产物烧结、团聚，并易引入杂质。

自蔓延高温合成法：以锆粉、硼酐、镁粉/铝粉等为原料，利用原料化学反应时自身释放出的热量进行材料合成与制备。该方法的缺点是工艺过程不易控制；并且产物纯度较低、颗粒形貌不规则、粒度分布不均匀、易团聚。

溶胶-凝胶法：以正丙醇锆、葡萄糖、硼酸等为原料,将原料溶于适当溶剂通过醇解/水解-缩聚、干燥及后期高温处理等过程制备出二硼化锆粉体。该方法的缺点是原材料昂贵,工艺过程复杂，产物产率低。

综上所述，目前合成方法存在的主要问题为：(1)合成温度高、反应时间长；(2)需要特殊的设备(真空/气氛保护)，(3)工艺过程复杂、成本高，(4)粉体颗粒尺寸大、团聚、形貌不规则。

因此，为了克服上述方法的缺点，解决目前所存在的主要问题，有必要探索新的合成方法。在此，我们发明了一种新的二硼化锆低温合成方法(低温熔盐法)。通过这种方法，可以直接在空气中(无需任何保护气氛)以很低的温度合成出纯相和结晶良好的ZrB₂粉体。该方法使合成温度大幅度降低，且合成过程简单、原材料易得、熔盐可循环使用，适于低成本、批量化生产。

发明内容