硼化锆粉的制备

背景及概述^[1][2]

目前，能够胜任极端环境要求的材料主要集中在高熔点硼化物、碳化物如ZrB2，HfB2，ZrC，HfC和TaC等组成的超高温陶瓷材料（UHTCs）。在这些超高温陶瓷材料体系中，硼化锆粉因具有较低的相对密度（6.09g/cm3）、熔点高（3245℃）、硬度高（莫氏硬度为9，显微硬度为22.1GPa）、导热性好（热导率为23～25W/(m·K)）、导电性好（常温电导率约为1×108S/m）等特点，而在高温结构陶瓷材料、陶瓷基复合材料等领域中得到广泛地应用和关注。目前，硼化锆粉超高温陶瓷已广泛用作各种高温结构及功能材料，如：航空工业中的涡轮叶片、磁流体发电电极等。作为隔热用硼化锆粉材料，要求具有优良的耐热冲击性能，而现有的硼化锆粉不能满足要求。对比球形颗粒制备的陶瓷材料，原始颗粒为片状、棒状的粉体制备的陶瓷材料具有更好的耐热冲击性能。

硼化锆粉

应用^[3]

硼化锆粉具有低密度、高熔点、高硬度、高比强度、高比刚度、良好的导热性、优异的导电性、优良的抗烧蚀性和抗氧化性等优良性能，被认为是最具发展前景的结构/功能一体化材料之一，硼化锆粉已在航空航天、军工制造、冶金矿产和机械加工等领域得到了广泛的应用。当前制备硼化锆陶瓷的主要方法是将硼化锆粉体在高温及高压条件下进行烧结。因此，制备具有高纯度和良好烧结性能的硼化锆粉体是发挥其巨大应用价值的关键。

制备^[2]

硼化锆粉体主要由ZrO2粉体和炭黑或石墨粉体碳热还原法制得，其反应方程式为：

3ZrO2+B4C+8C+B2O3＝3ZrB2+9CO↑

上述反应过程属于固-固反应类型，反应进程是由物质扩散控制的。这种方法的缺点是氧化锆粉体和炭黑或石墨粉体混合不均匀且炭黑或石墨粉体活性较低，使氧化锆还原不完全，成为产物的杂质。另外，残存在硼化锆粉体中的炭黑或石墨粉体活性低，脱碳时需较高温度(大于600℃)才能使C在氧化气氛中生成一氧化碳或二氧化碳排除掉，温度越高粉体中的氧含量越高，造成硼化锆粉体质量下降。

具体方法：

步：将粒度为0.1μm的氧化锆粉体、3μm碳化硼粉体和3μmB2O3粉体按70∶14∶3的比例均匀混合得到原料粉1。

第二步：将上述原料粉1与酚醛树脂以重量比为5∶0.5的比例在混碾机中混合均匀，在80℃的温度下固化，然后在制粉机中粉碎制成平均粒径为10μm的原料粉2。

第三步：将上述原料粉2与酚醛树脂以重量比为5∶1的比例在混碾机中混合均匀，在50℃的温度下固化，然后在制粉机中粉碎制成平均粒径为20μm原料粉3。

第四步：将上述原料粉3与酚醛树脂以重量比为5∶2的比例在混碾机中混合均匀，在40℃的温度下固化，然后在制粉机中粉碎制成平均粒径为50μm原料粉4。

2、硼化锆粉体合成：

将上述原料粉4在0.5Mpa的压力下压块，然后在1350℃℃的温度下氩气或氢气气氛烧制6小时制得硼化锆块体。

3、脱碳处理

将上述硼化锆块体在350℃的温度下氧化气氛保温12小时脱碳，冷却后粉碎制得硼化锆粉体。

所用原料的纯度均为99.99％纯。

主要参考资料

[1] 贾全利, 张海军, 贾晓林, & 秦国强. (2007). 溶胶-凝胶微波碳热还原制备二硼化锆粉体. (pp.65-67).

[2] 马成良, 封鉴秋, 王成春, 臧东营, & 王瑞. (2008). 二硼化锆粉体的工业合成. 硅酸盐通报(03), 197-200.

[3] 魏春城, 陈志伟, 田贵山, & 冯柳. (2009). 硼化锆粉体的制备与表征. 材料导报:纳米与新材料专辑, 23(001), 196-197.